在黑暗中观察宏观的量子效应

诸平

A nanoscale-sized glass bead evolving in a potential created through electrostatic or magnetic forces enters a macroscopic quantum superposition state.

据奥地利因斯布鲁克大学(University of Innsbruck, Innsbruck, Austria)2024年1月10日提供的消息，在黑暗中观察宏观的量子效应(Obser-ving macros-co-pic quan-tum effects in the dark)。一个纳米级的玻璃珠在静电或磁力产生的电位中进化，进入宏观量子叠加态（见图示）。

速度快，避光，滚过弯曲的斜坡:这是理论物理学家在最近发表在《物理评论快报》（Physical Review Letters）上的一篇论文中提出的一个开创性实验的秘诀。在通过静电或磁力产生的势中进化的物体有望快速可靠地产生宏观量子叠加态（macroscopic quantum superposition state）。原文详见：M. Roda-Llordes, A. Riera-Campeny, D. Candoli, P. T. Grochowski, O. Romero-Isart. Macroscopic Quantum Superpositions via Dynamics in a Wide Double-Well Potential. Physical Review Letters, 2024, 132: 023601. DOI: 10.1103/PhysRevLett.132.023601 [arXiv: 2303.07959]. Published: 8 January 2024. https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.132.023601

参与此项研究的除了来自奥地利因斯布鲁克大学的研究人员之外，还有来自奥地利科学院量子光学与量子信息研究所（Institute for Quantum Optics and Quantum Information of the Austrian Academy of Sciences, Innsbruck, Austria）以及波兰科学院理论物理中心（Center for Theoretical Physics, Polish Academy of Sciences, Aleja Lotników, Warsaw, Poland）的研究人员。

日常现实和量子世界之间的界限仍然不清楚。一个物体的质量越大，当它的运动冷却到绝对零度时，它就变得越局域化。奥地利科学院(Austrian Academy of Sciences / Österreichischen Akademie der Wissenschaften简称ÖAW)量子光学和量子信息研究所(Institute for Quantum Optics and Quantum Information简称IQOQI)和因斯布鲁克大学理论物理系（Department of Theoretical Physics at the University of Innsbruck）的奥利奥尔·罗梅罗-艾萨特（Oriol Romero-Isart）领导的研究人员提出了一个实验，在这个实验中，一个光学悬浮的纳米粒子冷却到基态，在静电或磁力产生的非光(黑暗)势{ non-optical (“dark”) potential}中进化。这种暗势的进化有望迅速而可靠地产生宏观量子叠加态（macroscopic quantum superposition state）。

激光可以将纳米级的玻璃球冷却到其运动基态。这样的玻璃球在被空气分子轰击和散射入射光的情况下，会迅速升温并离开量子状态，从而限制了量子控制。为了避免这种情况，研究人员建议让球体在黑暗中进化，关闭光线，仅由不均匀的静电或磁力引导。这种进化不仅速度快到足以防止杂散气体分子的加热，而且还提升了极端的局域化和明确的量子特征。

发表在《物理评论快报》上的这篇论文，也讨论了这一提议是如何规避这类实验的实际挑战的。这些挑战包括需要快速实验运行，尽可能少地使用激光以避免退相干（decoherence），以及使用相同的粒子快速重复实验运行的能力。这些考虑对于减轻低频噪声和其他系统误差的影响至关重要。

该提案已与欧盟（European Union）资助的ERC协同资助项目Q-Xtreme的实验伙伴进行了广泛讨论。奥利奥尔·罗梅罗-艾萨特的理论团队说:“提出的方法与他们实验室目前的发展是一致的，他们应该很快就能在经典状态下用热粒子测试我们的方案，这将对测量和减少激光关闭时的噪声源非常有用。我们相信，虽然最终的量子实验将不可避免地具有挑战性，但它应该是可行的，因为它符合制备这些宏观量子叠加态的所有必要标准。”

上述介绍，仅供参考。欲了解更多信息，敬请注意浏览原文或者相关报道。

Abstract

We present an experimental proposal for the rapid preparation of the center of mass of a levitated particle in a macroscopic quantum state, that is a state delocalized over a length scale much larger than its zero-point motion and that has no classical analog. This state is prepared by letting the particle evolve in a static double-well potential after a sudden switchoff of the harmonic trap, following initial center-of-mass cooling to a sufficiently pure quantum state. We provide a thorough analysis of the noise and decoherence that is relevant to current experiments with levitated nano- and microparticles. In this context, we highlight the possibility of using two particles, one evolving in each potential well, to mitigate the impact of collective sources of noise and decoherence. The generality and scalability of our proposal make it suitable for implementation with a wide range of systems, including single atoms, ions, and Bose-Einstein condensates. Our results have the potential to enable the generation of macroscopic quantum states at unprecedented scales of length and mass, thereby paving the way for experimental exploration of the gravitational field generated by a source mass in a delocalized quantum state.