摘要：近日，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共同取得了一项重要的物理学进展，成功扩展了纳米颗粒的量子波特性。这一研究不仅为量子力学与经典力学之间的联系搭起了桥梁，还为未来引力测量和量子传感技术的开发提供了崭新的可能性。

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

近日，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共同取得了一项重要的物理学进展，成功扩展了纳米颗粒的量子波特性。这一研究不仅为量子力学与经典力学之间的联系搭起了桥梁，还为未来引力测量和量子传感技术的开发提供了崭新的可能性。

研究背景与重要性

量子力学通常表征微小物体的行为，而经典力学则适用于日常生活中较为宏观的物体。对这两者之间的交集研究，不仅能够深化我们对自然法则的理解，还可能开启量子传感器技术的新篇章。然而，传统观念认为，宏观物体的量子效应难以观测，其原因在于“相干长度”——表征量子波特性延伸范围的物理量，通常远小于大物体的尺寸。

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。（图片提供：Nicola Carlon Zambon）

首席研究员马西米利亚诺·罗西指出，要将量子物理推向宏观层面的实现，应当同时增加物体的质量和相干长度。该团队近期的研究正是基于此目标，聚焦于较大的纳米颗粒进行定量分析。

实验过程与发现

研究人员选择了直径为100纳米的二氧化硅纳米粒子，并使用紧密聚焦的激光束将这些纳米颗粒固定在真空中。在这一状态下，纳米粒子对入射激光光线的散射会包含信息，揭示其质心位置。这一信息通过反馈机制的应用，使研究人员得以施加电场，将纳米粒子冷却至接近量子基态，提升其量子态的纯度。

实验数据显示，在冷却后形成的状态使纳米粒子的相干长度超过了先前基础值，并延展至73皮米（pm），成为早期相干长度的三倍。之所以能够达到这一成就，主要依赖于对激光功率的精确操控。研究小组通过逐步降低激光功率，使得纳米颗粒的相干性得到了前所未有的扩展。

应对退相干挑战

尽管相干长度的扩展取得了成功，研究人员面临的最大挑战是退相干现象，这一过程能够显著影响纳米颗粒的量子行为。当纳米颗粒与周围环境的复杂因素相互作用时，量子态会迅速变得随机，导致其行为更加接近经典描述。

为此，研究团队专注于识别并抑制各种退相干源，其中激光散射被视为主要的影响因素。通过降低激光功率，他们能够减少叠加状态的干扰，保持纳米颗粒的量子特性。尽管得到的73皮米的相干长度仍远小于纳米颗粒的实际尺寸，罗西表示，当前的成就为未来进一步的探索奠定了基础。

前景展望与研究方向

随着该项研究的深入，团队对进一步提升相干长度充满信心。罗西表示，下一步可能尝试使用更多的激光脉冲，以实现更大的相干长度扩张，同时探索使用光场与电场相结合的方法，以最小化光散射带来的退相干效应。

这种量子与宏观物体的交互方式引发了广泛关注，尤其是在人类探索量子世界的过程中，这种创造性的方法可能为量子计算、量子传感等领域开辟新机会。

正如本次实验所揭示的，量子现象的观察与控制新领域为适应现代科技走向提供了新视角，未来，随着技术的不断进步，量子力学的应用无疑会在更广泛的领域内得到实现。

来源：人工智能学家