纳米级粒子“量子挤压”首次实现

科技日报记者 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。

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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。