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纳米级粒子“量子挤压”首次实现

  科技日报北京9月21日电 (记者张佳欣)据最新一期《科学》杂志报道,日本东京大学研究团队首次实现对纳米级粒子的“量子挤压”,即粒子运动的不确定性小于量子力学零点涨落。这一成果不仅为基础物理研究开辟了新路径,也有助推动未来高精度传感、自动驾驶及无GPS信号导航等技术发展。

  宏观尺度的物理世界,从尘埃到行星,遵循的是牛顿在17世纪发现的经典力学定律。而微观世界则遵循量子力学规律,其中一个重要特征是“不确定性”。也就是说,测量的精度天生受到量子力学涨落的限制。例如,零点涨落就是被囚禁粒子在最低能量状态下,其位置和速度仍会存在的量子力学涨落。所谓量子挤压,是指通过特殊方法产生不确定性小于零点涨落的量子态。实现这种状态不仅对准确理解自然世界至关重要,也有助于开发下一代可能受量子现象影响的技术。

  虽然量子力学已在光子、原子等微观粒子上得到充分验证,但在纳米尺度的大尺寸物体上仍存在未解之谜。研究人员表示,创造合适的实验条件一直是巨大挑战。

  为此,团队选择了一种由玻璃制成的纳米级粒子,将其悬浮于真空环境中,并冷却至最低能量状态,从而降低其不确定性。在确保囚禁势场得到最佳调制后,他们释放粒子并测量其速度,再通过重复实验获得粒子在该势场下的速度分布。结果显示,当释放时机最佳时,速度分布比最低能量状态下的不确定性更窄,证明实现了量子挤压。

  这一成果并非一蹴而就。团队在多年探索中克服了诸多技术难题,包括粒子悬浮带来的额外涨落以及实验环境的微小扰动等。最终,他们找到了能够稳定复现的条件,成功完成了量子挤压的验证。

  这一悬浮纳米级粒子体系对环境极为敏感,是研究量子与经典力学过渡现象的理想平台,也为未来新型量子器件的研发奠定了基础。

  【总编辑圈点】

  这是量子操控领域的“一小步”,也是将量子力学从微观粒子层面拓展到纳米尺度的“一大步”。该技术为解决基础科学难题和开发革命性技术提供了平台。譬如在导航领域,基于量子挤压的高精度惯性导航系统,可摆脱对外部信号的依赖,大幅提升自动驾驶、深海探测和太空任务的定位精度与可靠性;在精密测量方面,其能显著提高原子钟、重力仪和磁场传感器的灵敏度,推动基础物理常数测量、暗物质搜索和早期宇宙研究;甚至在材料科学和生物医学领域,也能为开发新型传感器、单分子检测技术和靶向药物递送系统提供技术支撑。

【编辑:付子豪】
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