自从量子力学提出以来，一百多年多来，科学家发现量子力学并不仅仅是微观世界的确适用的，而在宏观尺度上量子力学同样也是适用的。比如，早在2013年，美国物理学家制作了一个0.02英寸（约合0.5毫米）大小的小鼓。他们利用激光对小鼓进行操纵，在宏观尺度上验证了量子力学中的“不确定原理”，相关内容发表在《Science》上。再如，2020年，麻省理工学院LIGO实验室的研究人员，第一次测量了量子波动在人类尺度上对物体的宏观影响，相关内容发表在Nature上。众所周知，宏观尺度上的量子力学测试要求，对力学运动及其退相干，需进行极端控制。人们通过设计谐振腔内的微机械振荡器与电磁场之间的辐射压力耦合，实现了对力学运动的量子控制。此外，基于测量的反馈控制依赖于腔增强探测方案，已广泛用于冷却微机械振荡器到他们的量子基态。与力学固定系系统相比，光悬浮纳米粒子，尤其有希望用于大质量物体的物质波实验，因为它们的捕获潜力是完全可控的。在此，来自瑞士苏黎世联邦理工学院的Lukas Novotny等研究者，在低温自由空间光学悬浮了一个飞克(10-15克)的介电粒子，这足以抑制热效应，使测量反向作用成为主要的退相干机制。相关论文以题为“Quantum control of a nanoparticle optically levitated in cryogenic free space”于2021年07月14日发表在Nature上。研究宏观量子效应的先决条件是，将粒子制备为量子力学纯态，如运动基态。此外，必须排除其他的退相干源，如与气体分子的碰撞和黑体光子的反冲。因此，低温环境将是特别有利的，同时提供所需的极高真空和足够低的热居数的电磁连续体。鉴于以上优点，然而令人惊讶的是，光学悬浮还没有在低温环境中实现。众多研究表明，力学运动的基态冷却不增强与光谐振器的相互作用是可能的，有足够高的探测效率。因此，这样的无腔光学系统，将不受光学谐振器带宽、稳定性和模式匹配方面的限制。在此，在低温环境中光学悬浮一个纳米粒子，这使得由于气体碰撞产生的退相干可以忽略不计，允许反馈冷却粒子的运动到量子基态。研究者的反馈控制依赖于粒子位置的无腔光学测量，它接近海森堡关系的最小值，在两倍以内。通过有效的量子测量，研究者对粒子的动力学进行量子控制。通过基于测量的反馈，将其质心运动冷却为平均占据0.65个运动量子，对应的状态纯度为0.43。光学谐振器的缺乏及其带宽限制，使人们有望将电磁场的全部量子控制转移到力学系统中。该实验平台为研究宏观尺度下的量子力学提供了一条途径。
图1. 实验装置
图2. 通过外环测量的量子基态验证
图3. 反馈系统的内环分析无独有偶，在同期的Nature上，来自于奥地利维也纳大学的Lorenzo Magrini & Markus Aspelmeyer等研究者，也得到了类似的研究成果，但他们采用的方式是不一样的。他们演示了光学捕获纳米粒子量子轨迹的实时最优控制。研究者将接近海森堡极限的共焦位置传感与卡尔曼滤波的最优状态估计相结合，在位置不确定性为零点波动1.3倍的情况下，实时跟踪粒子在相空间中的运动。优化反馈使量子谐振子稳定在平均占用0.56±0.02个量子，实现了室温下的量子基态冷却。相关论文以题为“Real-time optimal quantum control of mechanical motion at room temperature”于2021年07月14日发表在Nature上。
图1 实验装置
图2 卡尔曼滤波与验证
图3 量子最优控制所谓“条条大路通罗马”，两组科研人员不同的研究方式，获得了相似的研究成果，他们彼此成就，相互佐证，相互弥补，他们的关系，像极了“爱情”……综上，第二个工作建立了量子卡尔曼滤波作为一种方法来实现力学运动的量子控制，对所有尺度的感知都有潜在的影响。与此同时，结合第一个工作的“悬浮”，这为全面控制固态宏观量子物体，在线性和非线性系统中的波包动力学铺平了道路。参考文献Tebbenjohanns, F., Mattana, M.L., Rossi, M. et al. Quantum control of a nanoparticle optically levitated in cryogenic free space. Nature595, 378–382 (2021). https://doi.org/10.1038/s41586-021-03617-wMagrini, L., Rosenzweig, P., Bach, C. et al. Real-time optimal quantum control of mechanical motion at room temperature. Nature595, 373–377 (2021). https://doi.org/10.1038/s41586-021-03602-3原文链接https://www.nature.com/articles/s41586-021-03602-3https://www.nature.com/articles/s41586-021-03602-3#citeas
