量子水熊虫即将诞生？他们希望借此填补宏观与微观世界的鸿沟
即便是大件的宏观物体，也能表现出奇异的量子行为——物理学家希望通过证明这一点，来揭开量子坍缩的奥秘、确认引力的量子性质。科学家们正以每年几倍的速度提高量子效应的尺度，盼望的下一个里程碑是“量子水熊虫”，而在不久的未来，或许还能让“薛定谔的猫”成为现实。
表现出量子波动性的物质，最大能有多大？——理论上，多大都可以。来源：Hannes Hummel for Quanta Magazine
来源 Quanta Magazine
撰文 Philip Ball
翻译 周舒义
编辑 武大可
有一小撮物质——一块像病毒一样微小的二氧化硅晶体，在光束中悬浮着。特殊的是，在物理定律允许的范围内，它几乎一动不动。
一粒硅纳米颗粒被冷却到了量子基态（能量最低的量子态）。来源：Lorenzo Magrini, Yuriy Coroli/University of Vienna
来自奥地利和瑞士的两支研究团队分别独立地“冻结”了这种直径只有 100-140 纳米的极小颗粒；几乎使其完全进入了能量最低的量子态（量子基态），温度低于十万分之一开尔文，并以超乎寻常的精度将其空间位置固定。
将纳米颗粒紧紧固定于一点只是个开始。研究人员的目标是将这些物体置于所谓的量子叠加态——这种状态下，不进行测量就无法指出物体的准确位置。处于叠加态的粒子可能会出现在两个、甚至多个位置，观测后才能知道它到底在哪一处——这或许是最令人吃惊的例子。量子力学指出，只有通过观测，才能形成我们熟悉的、物体具有确切位置等属性的世界。
我们已经能很好地实现原子、亚原子粒子以及光子（静质量为零的光“粒子”）的叠加态。但是，当粒子与周围环境相互作用时，这种量子效应往往很容易受到干扰。物体越大，受到的相互作用就越多，维持叠加态的难度也会随之陡增。相互作用几乎会立即破坏叠加态，使物体具有唯一的确切属性。
尽管如此，研究人员一直在稳步增大可以观测到叠加等相关量子效应的物体尺度——从原子到小分子，然后是大分子……现在，他们期望在纳米尺度的颗粒上实现叠加态。但没人知道这种量子性质的尺度扩张原则上能走多远。是否像有些人认为的那样，因为量子行为与引力不相容（对原子和分子而言引力可以忽略不计），量子性质一旦超出某个尺度极限就会消失？还是说，对于量子体系的尺度并没有原则性的限制？
在量子理论长达一个世纪的历史上，这些问题贯穿始终。现在，研究人员首次站在了解答问题的转折点上——或将为引力的量子化指明方向。“十年来我一直致力于宏观量子叠加，”该领域的领导者之一、奥地利因斯布鲁克大学（University of Innsbruck）的量子理论学家 Oriol Romero-Isart 说，“而此刻风云际会，我们恰逢其时。”在未来几年里，我们或许就能揭晓谜底，弄明白世界是否从微观到宏观都是量子化的。
量子叠加的“天敌”——退相干
与流传甚广的看法不同，处于叠加态的粒子并非真的同时处于两个（或多个）状态。而是说，对叠加态进行测量，可能产生的结果不止一种。对于一般用经典物理来描述的日常尺度物体来说，这种现象有些不切实际：它要么在这里，要么在那里；要么是红色，要么是蓝色。如果我们无法指出具体属性，那仅仅是因为尚未对其进行观测，了解的还不够多。但对于量子叠加来说，根本就没有确定的答案——虽然违背直觉，但量子世界中“位置”这一性质没有确定的值。
不过，既然一次只能观测到一个结果，我们又是从何得知粒子在观测之前处于叠加态的呢？答案是，只要我们不试图去通过测量找出结果，两种或多种可能的结果会以某种方式体现在叠加态中，像两列波一样彼此干涉。这种波动行为体现在一个名为波函数的数学实体中，它包含了粒子的所有信息。
双缝干涉是最广为人知的量子干涉现象：一个粒子通过隔板上两条紧密排列的狭缝。如果我们不去观察粒子通过了哪条狭缝，粒子的行为就会像水波一样，它的波函数将同时通过两条狭缝传播，从而产生干涉条纹。
但是，如果我们在狭缝旁放置一台测量装置，测量每个粒子是否穿过这里（观测粒子的路径），干涉条纹就会消失。
物体可以在多大尺度上仍然表现为干涉的“物质波”呢？1999 年，奥地利维也纳大学（University of Vienna）的量子物理学家 Anton Zeilinger 和同事研究了这一问题。他们使用名为富勒烯（C60，由 60 个碳原子通过六元环和五元环连接而成的足球状分子）的碳分子进行双缝干涉实验，产生了清晰的干涉条纹，证明即便是像 C60 这样的分子（直径 0.7 纳米，比单个原子大得多、也重得多）也同样可以处于叠加态。
同样重要的是，他们继续研究了这种叠加是如何消失的。
量子粒子与邻近粒子（例如气体分子或者光子）之间会发生相互作用，将两者纠缠进入一种联合的量子态。通过这种方式，原始粒子的叠加就会扩散到环境中。
就像一滴墨在一杯水中扩散、洇开，这种叠加态的蔓延会增大对初始粒子状态的观测难度，除非你能观察扩散到的每个地方，并根据这些信息重建初始状态。初始处于叠加态的粒子与周围粒子发生量子纠缠，导致两者的波函数互相混合。在这一过程中，波函数似乎丧失了相干性，变成了大量不相干的小波。这一过程被称为退相干，它使得初始物体中的叠加无处可寻：其量子性质似乎消失了。
Markus Arndt 实验室里干涉仪的高真空室，包含一块紫色镜面和一个由纳米电机驱动的可移动机械光栅。来源：Quantum Nanophysics Group
量子叠加的退相干发生得非常快——除非把粒子与周围环境的相互作用降到最低，例如冷却到极低温以减少热扰动，并将物体保存在真空环境中以消除分子碰撞。物体越大，可能发生的相互作用就越多，退相干的速度也就越快。对一粒漂浮在空气中、直径大约 10 微米的尘埃颗粒而言，相距约 10 微米的两处位置的叠加态会在大约 10-31 秒内退相干，这比光束通过质子直径距离的用时还短。
由此看来，退相干可能就是导致大物体量子叠加的持续时间太短、难以观测的主要障碍。富勒烯的干涉实验支持了这一想法。维也纳大学的研究团队预测，如果向腔室充入背景气体，气体分子会与其中的富勒烯发生碰撞，干涉现象将随之逐渐消失。实验证实了这一预测。
Markus Arndt 是 Zeilinger 团队的成员之一，他在过去 20 年里一直致力于扩大量子干涉的体系规模。2011 年，他和团队实现了有机分子束流的干涉，每个分子包含了多达 430 个原子，直径达 6 纳米。2019 年，他们将原子个数提升到了约 2000 个。2020 年，他们又用生物分子绘出了干涉条纹（具体而言，这是一种叫做短杆菌肽 A1 的天然多肽）——尽管在分子束流干涉实验的严酷环境下，这些分子十分脆弱。
Arndt 表示，他的目标是每隔一到两年将干涉粒子的质量提升 10 倍。按照这一速度，病毒等生物体很快就会进入实验的尺寸和质量范围。另一方面，2009 年供职于德国马克斯·普朗克量子光学研究所（Max Planck Institute for Quantum Optics）的 Romero-Isart 和同事勾勒出一个想法：将光阱中强烈的光束聚焦于一点，由此产生作用力，将病毒悬浮起来紧紧“抓住”。研究者便能将其诱导成两种振动状态的叠加，寻找它们之间的干涉。
一不做二不休，研究人员甚至盯上了不折不扣的生物体，比如缓步动物（水熊虫）。这是一种异常顽强的小动物，体长约一毫米，有人发现它们可以在外太空暴露下存活数日。研究人员写道，通过这一实验计划，他们将能制造“与‘薛定谔的猫’意义十分相近的量子叠加态”——这一著名思想实验原本是为了强调，大型（尤其是活体）实体中的量子叠加不过是天方夜谭。
光与微粒的二重奏
Romero-Isart 和维也纳大学的 Markus Aspelmeyer、瑞士苏黎世联邦理工学院（Federal Institute of Technology Zurich）的 Lukas Novotny、Romain Quidant 团队合作，开展了 Q-Xtreme 项目，正是这一项目背后的启发性理念，将薛定谔眼中的“天方夜谭”转变为可能的现实存在。
2019 年，其中三支团队在两项独立的研究成果（[1], [2]）中宣布，他们使用激光产生光阱，约束直径约 100 - 150 纳米、包含约 1 亿个原子的二氧化硅纳米颗粒，几乎将其冷却至最低能量的量子态（基态）。
2020 年，据 Aspelmeyer 的团队报告，他们尽可能减小了原子的晶格振动，使其更接近基态。绝对零度下，粒子将完全处于基态，只剩下原子的零点运动。在 Aspelmeyer 的实验中，粒子平均有 70% 的时间处于基态。
光阱会束缚粒子，影响自由粒子的量子行为。在最新实验中，Aspelmeyer 和 Novotny 设法摆脱了光阱，这样他们就能观察到“野生”的粒子。研究人员使用激光不断测量粒子的位置，然后施加电场来推动粒子，使其停留在指定位置——不是通过捕获，而是温和的诱导。这种“主动反馈”的方法抑制了粒子热抖动，将其冷却到极低的温度。
Aspelmeyer 的团队表示，在他们的实验中，粒子的位置扩散仅为零点运动的 1.3 倍，等效温度仅为百万分之一开尔文。Novotny 和他的同事通过类似的方法，取得了相近的冷却效果。
在 Lukas Novotny 实验室的真空室（左）内，两个光学透镜悬浮起了一粒二氧化硅纳米颗粒（右）。来源：ETH Zurich
下一步就要进行叠加了。为此，研究人员需要控制三个关键的环境变量影响。首先，他们必须消除主动反馈电位中的任何噪声。其次，需要使用压强约 10-11 mbar（毫巴，1 mbar = 100 Pa）的极高真空环境——这样几乎不会发生粒子碰撞。最后，他们需要避免粒子像温暖物体一样辐射光子。尽管粒子会发生局域化（编者注：波函数不再分散于空间，而是紧紧束缚于一处），似乎是很冷的样子；但如果吸收了足够多在周围飞来飞去的光子，它的内部温度就能达到 1000 K 左右，这会让粒子像热拨火棍一样发出辐射。据 Romero-Isart 介绍，抑制这种辐射引起的退相干非常困难。
量子叠加需要抑制粒子辐射，这说明了一个微妙但关键的问题。与其说来自外界环境的扰动打破平衡、破坏了量子叠加，不如说，当物体的位置信息泄漏到环境中、可以被测量时，叠加就会被破坏——就像测量粒子路径会破坏量子双缝实验中的干涉一样。
如果一个气体分子与粒子碰撞、弹开，理论上讲，你可以通过观察分子的轨迹来找出粒子的位置。或者，如果粒子辐射光子，你也能通过观察光子来确定粒子的位置，正如晚上你可以循着门廊灯光找到家门。不过，就家门而言，灯光只是“揭示”出它的位置，而对于量子物体，是自身辐射出光的过程“创造”了它的位置。
“坍缩”的背后
或许隐藏着全新的物理
叠加对于环境相互作用的敏感性令相关实验举步维艰，但它也很有用。例如，这样的系统可用于研究量子物体如何通过退相干失去量子性质，以经典形式固定在一个地方。“大尺度叠加非常脆弱，对退相干很敏感，”Romero-Isart 说，而“我们仍未完全理解退相干”。因此，可以通过实验来验证这一过程的相关理论。
长期以来，量子到经典的转变过程一直被描述为“波函数的坍缩”：例如，两种可能状态的叠加会在测量时坍缩为其中一个。研究人员尤为热衷于检验这一想法。坍缩的概念是由匈牙利数学物理学家约翰·冯·诺伊曼（John von Neumann）在 1930 年代首次提出的，作为一种权宜之计，用来解释从波函数蕴藏的概率中观测得到确定结果的过程。这个数学伎俩弥合了量子理论与人们直观感受之间的鸿沟，但并没有任何与量子理论相关的迹象能够印证“坍缩”机制存在的必要性。
现在，与测量仪器相互作用、退相干的观念已经在很大程度上取代了冯·诺伊曼“突然坍缩”的神秘概念。但一些研究人员提出，坍缩仍然是一个真实的物理过程，它从量子的多可能性中产生经典的确定性。“当涉及大质量和大尺度叠加时，坍缩模型预测了（标准）量子力学的失效，”Romero-Isart 说。“量子力学尚未在大尺度得到检验。”
Markus Aspelmeyer 实验室的研究人员 Kahan Dare（左）和 Manuel Reisenbauer 正致力于在实验中将悬浮的纳米粒子冷却到量子基态。来源：Lorenzo Magrini, Yuriy Coroli/University of Vienna
他和 Q-Xtreme 的同事们希望能检验物理坍缩模型，该模型预测大尺度叠加的寿命将比预期更短。特别是，他们希望在引力不可忽略的尺度上探索量子过程的机制。
目前，量子力学似乎与现代引力理论，即阿尔伯特·爱因斯坦（Albert Einstein）的广义相对论不相容。量子世界是离散、粒子化的，而相对论将时空描述为平滑和连续的。通常情况下，这种不相容可以忽略，因为量子力学描述的是非常小的对象，而广义相对论描述的是体积和质量非常大的对象。
但英国数学物理学家罗杰·彭罗斯（Roger Penrose）指出，当量子理论与广义相对论在中等尺度上发生碰撞，后者将会胜出，破坏量子效应。在广义相对论下，任何具有显著引力场的物体都会扭曲时空。但在位置上处于叠加态的物体会产生两个叠加的时空，而这为广义相对论所不容。因此彭罗斯认为，重力将会迫使物体在叠加的可能状态间做出选择。
Aspelmeyer 预计， Q-Xtreme 项目最终应该能够对这类理论进行检验。他说：“在我们计划的实验尺度上，现有的所有坍缩模型要么被排除在外，要么受各种参数条件限制，变得毫无意义。”
如果叠加的物体质量足够大，引力作用不可忽视，就可借此探测引力本身的量子性质。其中一个想法是通过引力相互作用实现质量间的纠缠。2017年，英国伦敦大学学院（University College London）的物理学家 Sougato Bose 和牛津大学（University of Oxford）的 Vlatko Vedral、Chiara Marletto 分别提出了相关实验建议。Romero-Isart 表示，这样的实验“非常令人兴奋，但也非常困难”——尽管 Vedral 认为这一设想或许在未来十年内可行。
没人知道实验结果会是什么。加拿大多伦多大学（University of Toronto）的量子物理学家 Aephraim Steinberg 说：“如果研究发现在某种情况下，量子理论显示——时空本身处于两种不同的可测量状态的叠加，我们就会失去所有赌注，只剩下实验来指引我们。我们应该对发现新事物的可能性保持开放态度。”
Vedral 预计，就像其他已被量子化的力一样，我们会发现确实可以用标准的量子场论来描述引力（至少在它不是特别强的情况下）。但他也承认“我暗中希望它会失败，作为一名理论工作者，我希望发生一些不同寻常的事情。”
叠加与坍缩
将是下一代量子技术的基石
Bose 表示，尝试大尺度下的量子叠加是一桩稳赚不赔的买卖。如果我们发现物理坍缩阻止了叠加，那将是一个量子力学基本性质方面的巨大发现。如果物理坍缩并未如许多人怀疑的那样发生，量子化尺度持续增大，那么对退相干源极其敏感的大型叠加态可以充当非常精密的引力传感器。例如，加拿大的物理学家 Jess Riedel 和 Itay Yavin 提出，鉴于暗物质粒子似乎只能通过引力与普通物质相互作用，对引力效应敏感的量子系统可能会提供一种寻找暗物质粒子的方法。到目前为止，只有数公里规模的巨型探测器才能探测引力波。而使用这一机制构造的引力波探测器可能只有台式机器大小，Bose 也对此很感兴趣。
换句话说，将量子系统扩大到引力不可忽略的尺度，我们可能会从中获得关于量子力学、引力和宇宙隐藏面貌的新见解。该项目需要将技术能力推向极限，但回报可能是巨大的。Arndt 表示，目前人们对大尺度下的叠加、纠缠等量子现象重燃兴趣，并非出于偶然——如果要扩大量子计算机的规模，使其拥有数千、甚至数百万个纠缠的量子比特，这些研究正是我们所需要的。“未来几年，量子技术将获得数百亿美元投资。”他说，“我们最好理解所有这些新兴技术背后的理论基础。”
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