量子物理新突破：科学家首次实现室温下纳米粒子量子态控制

抖音推荐 2025年08月12日 21:45 1 admin

维也纳科技大学和苏黎世联邦理工学院的研究团队近日在《自然物理》期刊发表重要研究成果，成功证明直径约100纳米的玻璃微球可以在室温环境下展现量子旋转行为。这一突破性发现颠覆了传统认知，即量子效应只能在接近绝对零度的极低温条件下观察到，为量子技术的实际应用开辟了全新路径。

突破温度束缚的量子操控技术

长期以来，量子物理学研究面临着一个根本性挑战：如何让宏观物体表现出量子特性。传统方法需要将研究对象冷却至接近绝对零度（-273.15°C），这不仅技术复杂，成本高昂，也限制了量子技术的广泛应用。维也纳科技大学理论物理研究所的卡洛斯·冈萨雷斯-巴列斯特罗教授解释："微观粒子总是存在轻微摆动，这种运动取决于温度和环境干扰。要让纳米粒子显现量子特性极其困难，通常需要让粒子悬浮并保持极低温度。"

激光击中玻璃颗粒。图片来源：Lorenzo Dania (ETHZ)

然而，这项最新研究彻底改变了这一局面。研究团队开发出一种革命性技术，能够选择性地将纳米粒子的旋转运动冷却至量子基态，而粒子本身却可以保持数百度的高温状态。这种"部分量子化"的概念为量子物理学开启了前所未有的可能性。

实验中使用的并非完美球形的纳米粒子，而是略带椭圆形状的玻璃微球。当这些粒子置于精心设计的电磁场中时，会产生规律性旋转。通过巧妙运用激光束和反射镜系统，研究人员能够精确控制能量的传递方向——以高概率从粒子中提取旋转能量，同时以低概率向其输入能量。

量子基态的精密工程

这项技术的核心在于对量子噪声的精确理解和控制。激光系统既可以向纳米粒子输送能量，也可以从中吸收能量，关键在于如何调节这一过程的概率分布。通过精确调整镜面配置，研究团队实现了旋转运动能量的逐步降低，最终使其达到几乎完全对应量子力学基态的状态。

冈萨雷斯-巴列斯特罗强调了这一成就的独特性："我们必须分别考虑不同的自由度。这种方法可以极其有效地降低旋转运动的能量，而无需同时降低纳米颗粒的内部热能。令人惊讶的是，即使颗粒本身温度很高，其旋转运动也可以被'冻结'至量子状态。"

这种选择性量子化的实现需要解决众多复杂的理论问题，特别是对激光量子噪声的深入理解。研究团队通过精密的数学建模和实验验证，成功创造出了在量子纯度方面超越以往同类研究的状态。

重新定义量子技术应用边界

这项研究的意义远超实验室范畴。传统量子实验需要极端的环境条件，包括超高真空、极低温度和复杂的隔离系统，这些要求严重限制了量子技术的实用化进程。而室温量子态的实现，意味着量子传感器、量子计算和量子通信等技术可能在更接近日常环境的条件下运行。

量子物理学的基本原理表明，在极低能量状态下，振荡以特定的离散量形式存在，称为"振荡量子"。存在一个最低振动状态即"基态"，以及能量递增的激发态。粒子可以同时占据多个振动状态的量子叠加，这正是量子力学的核心特征。

这次实验成功实现的量子纯度创造了新的纪录，证明了即使在室温条件下，也可以稳定可靠地研究宏观物体的量子特性。冈萨雷斯-巴列斯特罗评价道："这是一种在技术上令人震惊的实用方法，真正突破了量子物理学的应用界限。我们现在可以用稳定可靠的方式研究物体的量子特性，这在以前几乎是不可能的。"

这项突破性研究不仅深化了人类对量子力学基本原理的理解，更为量子技术的商业化应用奠定了重要基础。随着室温量子态操控技术的进一步发展，我们有望在不久的将来看到更多基于量子原理的实用设备走出实验室，真正服务于人类社会的发展需求。

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