摘要：在探索量子力学与宏观现实的交集方面，瑞士苏黎世联邦理工学院与西班牙巴塞罗那光子科学研究所的研究人员取得了重要进展，成功扩展了纳米颗粒的量子波特性。这一突破不仅为量子力学的核心理论提供了新的证据，也为未来的引力测量和量子信息技术的发展奠定了基础。

信息来源：https://physicsworld.com/a/physicists-extend-the-wave-nature-of-large-objects/

在探索量子力学与宏观现实的交集方面，瑞士苏黎世联邦理工学院与西班牙巴塞罗那光子科学研究所的研究人员取得了重要进展，成功扩展了纳米颗粒的量子波特性。这一突破不仅为量子力学的核心理论提供了新的证据，也为未来的引力测量和量子信息技术的发展奠定了基础。

量子与经典的交界

传统的量子力学认为，即使是大质量物体也应该展现波动性。然而，实验中观察到的波动特性仅在微小的范围内生效，特别是相干长度的局限，使得宏观物体难以展示量子现象。为了解决这一问题，研究人员致力于同时增加纳米粒子的质量和相干长度，以便使其在实验中更为明显地展示量子行为。

量子离域在艺术渲染中，二氧化硅纳米颗粒被激光固定。粒子位置的不确定性扩散并重新压缩（蓝色轨迹），说明了称为量子离域的扩展波行为。（由 Nicola Carlon Zambon 提供）

该研究的首席科学家马西米利亚诺·罗西表示，为了将量子物理扩展至宏观层面，需要对大量物体的量子特性进行细致入微的探索。他们的研究成果近日在《物理评论快报》上发表。

实验设计与方法

研究团队专注于一种被称为二氧化硅纳米颗粒的物体，直径约100纳米，介于经典物体与量子体系之间。通过将这些纳米颗粒悬浮在真空中，并使用强激光束进行操控，研究人员能够有效观察和测量它们的量子波行为。

在实验中，纳米颗粒散射激光，产生相位信息，从而确定其质心位置。研究团队利用这一信息来施加电场，使得纳米颗粒冷却至接近其量子基态。在此状态下，纳米颗粒的量子波性质得以显著扩展，相干长度从最初的21皮米（pm）提升至73皮米，这个数据是初始值的三倍以上。

在验证相干长度延伸的过程中，研究人员采用了细致的激光调节方法，透过控制激光功率，逐渐改变粒子所处的相干环境，使其能够探索更广泛的量子状态。

限制退相干的挑战

尽管该实验成功地延长了相干长度，然而，限制退相干的过程依然是实验中的主要挑战。退相干是指当量子系统与其环境进行相互作用时，量子信息被破坏的过程。此时，量子状态的行为趋向于经典物体的表现。

为了应对这一问题，研究团队细致地测量和识别所有可能导致退相干的来源，特别是激光散射带来的影响。通过降低激光功率，在粒子扩展的过程中减少散射，研究人员实现了在相干延伸的同时，抑制了量子信息的丢失。

尽管73皮米的相干长度相比粒子的实际直径仍小得多，但罗西表示，科学家并不清楚为何会存在实现更大相干长度的根本限制，这为未来的研究指明了方向。

未来研究的方向

为了进一步扩展相干长度，研究团队将探索更多激光脉冲方案，追求更长的量子相干状态。此外，他们还计划同时利用光场和电场来限制纳米颗粒的混合陷阱，从而减少光散射引起的退相干性。

这一创新的研究不仅深化了我们对量子力学的理解，而且为量子信息处理和引力测量的新方法提供了可行的科研基础。随着未来研究方向的不断拓展，科学家们期待在宏观物体中观察到更多的量子特性，以推动量子技术在各个领域的应用与发展。

来源：人工智能学家