室温下实现量子"冷冻"：激光控制技术重新定义量子物理边界

抖音推荐 2025年08月14日 22:01 1 admin

苏黎世联邦理工学院与维也纳技术大学的联合研究团队成功打破了量子物理学的一个基本限制，在室温条件下将纳米粒子的旋转运动冷却至量子基态，而无需传统的超低温环境。这项突破性技术利用精密的激光控制系统，实现了量子运动的选择性"冷冻"，为量子传感器在实际环境中的应用开辟了全新路径。

传统观念认为，要观察宏观物体的量子特性必须将其冷却至接近绝对零度，但这项研究彻底颠覆了这一认知。研究人员通过巧妙的激光操控技术，成功将直径约100纳米的椭圆形玻璃球的旋转振动降低到量子力学允许的最低能级，同时粒子本身仍保持数百度的高温状态。

量子物理学的温度悖论

量子力学的核心原理之一是能量量子化，即系统只能存在于特定的离散能级状态中。对于振动系统而言，存在一个最低能量状态称为"基态"，以及一系列更高能量的激发态。在宏观尺度上观察这些量子效应一直是物理学家面临的重大挑战。

激光击中玻璃颗粒。图片来源：Lorenzo Dania (ETHZ)

维也纳技术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了这一挑战的本质："微观粒子总会有轻微的摆动，这种摆动取决于温度以及粒子如何受到环境的影响。让纳米粒子进入一种能使其量子特性显现的状态非常困难。"

过去几十年中，科学家们试图通过极端冷却技术来克服这一障碍。谷歌量子实验室和IBM量子研究部门的超导量子比特系统都需要在毫开尔文温度下运行，相当于接近绝对零度。这种极端条件不仅成本高昂，还限制了量子技术的实际应用范围。

选择性量子冷却的技术革命

此次研究的关键创新在于实现了"选择性量子冷却"。研究团队使用的纳米粒子具有椭圆形状而非完美球形，这种几何特性使得粒子在电磁场中会产生特定的旋转行为。通过精心设计的激光束和镜面系统，研究人员能够有选择地从粒子的旋转运动中提取能量。

冈萨雷斯-巴列斯特罗详细说明了这一过程："激光既可以向纳米粒子提供能量，也可以从中吸收能量。通过适当调整镜面系统，我们可以确保以高概率提取能量，以低概率增加能量。因此，旋转运动的能量逐渐减少，直到接近量子基态。"

这种方法的巧妙之处在于它能够区分处理不同的自由度。虽然粒子的整体温度仍然很高，但其旋转运动的能量状态可以被精确控制到量子基态。这种分离控制为量子物理学研究开辟了全新的可能性。

麻省理工学院量子光学实验室最近的研究表明，类似的选择性冷却技术可能在多个量子系统中实现，包括捕获离子和中性原子系统。这种通用性预示着量子技术可能很快摆脱对极低温环境的依赖。

量子纯度的新纪录

研究团队在实验中实现了前所未有的量子纯度水平。量子纯度是衡量系统接近理想量子状态程度的重要指标，直接影响量子器件的性能和精确度。传统的超冷原子系统虽然能达到极低温度，但由于环境干扰和技术限制，其量子纯度往往受到制约。

相比之下，新技术通过激光控制实现的量子纯度超越了以往同类研究的记录。这一成就特别重要，因为高量子纯度是实现高精度量子传感和量子计算的前提条件。

欧洲量子旗舰计划最新报告指出，室温量子器件的发展是实现量子技术大规模商业化的关键因素。传统量子系统需要复杂的冷却装置，不仅增加了系统成本，还限制了其在移动设备和便携式应用中的使用。

实际应用前景与挑战

这项技术突破对多个领域具有深远影响。在导航系统方面，高精度的量子传感器可以提供不依赖GPS的精确定位服务，特别适用于地下、水下或太空环境。在医学诊断领域，基于量子效应的传感器能够探测到极微弱的生物信号，为早期疾病诊断提供新工具。

基础物理学研究同样将受益于这一技术。科学家们可以利用这些室温量子系统来探索引力的量子效应、暗物质探测以及基本物理常数的精密测量。这些应用以前由于技术限制而难以实现。

然而，从实验室成果到实际应用仍面临诸多挑战。如何保持激光系统的长期稳定性，如何克服环境噪声的干扰，以及如何实现大规模制造都是需要解决的关键问题。

斯坦福大学量子材料研究中心最近的分析显示，室温量子技术的成熟可能需要5到10年时间。但这项研究无疑为这一目标的实现提供了重要的理论基础和技术路径。

冈萨雷斯-巴列斯特罗总结了这项研究的意义："这是一种技术上令人惊奇的实用方法，突破了量子物理学的界限。我们现在可以以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。"

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