自從量子力學提出以來，一百多年多來，科學家發現量子力學并不僅僅是微觀世界的確適用的，而在宏觀尺度上量子力學同樣也是適用的。比如，早在2013年，美國物理學家制作了一個0.02英寸（約合0.5毫米）大小的小鼓。他們利用激光對小鼓進行操縱，在宏觀尺度上驗證了量子力學中的“不確定原理”，相關內容發表在《Science》上。再如，2020年，麻省理工學院LIGO實驗室的研究人員，第一次測量了量子波動在人類尺度上對物體的宏觀影響，相關內容發表在Nature上。眾所周知，宏觀尺度上的量子力學測試要求，對力學運動及其退相干，需進行極端控制。人們通過設計諧振腔內的微機械振蕩器與電磁場之間的輻射壓力耦合，實現了對力學運動的量子控制。此外，基于測量的反饋控制依賴于腔增強探測方案，已廣泛用于冷卻微機械振蕩器到他們的量子基態。與力學固定系系統相比，光懸浮納米粒子，尤其有希望用于大質量物體的物質波實驗，因為它們的捕獲潛力是完全可控的。在此，來自瑞士蘇黎世聯邦理工學院的Lukas Novotny等研究者，在低溫自由空間光學懸浮了一個飛克(10-15克)的介電粒子，這足以抑制熱效應，使測量反向作用成為主要的退相干機制。相關論文以題為“Quantum control of a nanoparticle optically levitated in cryogenic free space”于2021年07月14日發表在Nature上。研究宏觀量子效應的先決條件是，將粒子制備為量子力學純態，如運動基態。此外，必須排除其他的退相干源，如與氣體分子的碰撞和黑體光子的反沖。因此，低溫環境將是特別有利的，同時提供所需的極高真空和足夠低的熱居數的電磁連續體。鑒于以上優點，然而令人驚訝的是，光學懸浮還沒有在低溫環境中實現。眾多研究表明，力學運動的基態冷卻不增強與光諧振器的相互作用是可能的，有足夠高的探測效率。因此，這樣的無腔光學系統，將不受光學諧振器帶寬、穩定性和模式匹配方面的限制。在此，在低溫環境中光學懸浮一個納米粒子，這使得由于氣體碰撞產生的退相干可以忽略不計，允許反饋冷卻粒子的運動到量子基態。研究者的反饋控制依賴于粒子位置的無腔光學測量，它接近海森堡關系的最小值，在兩倍以內。通過有效的量子測量，研究者對粒子的動力學進行量子控制。通過基于測量的反饋，將其質心運動冷卻為平均占據0.65個運動量子，對應的狀態純度為0.43。光學諧振器的缺乏及其帶寬限制，使人們有望將電磁場的全部量子控制轉移到力學系統中。該實驗平臺為研究宏觀尺度下的量子力學提供了一條途徑。
圖1. 實驗裝置
圖2. 通過外環測量的量子基態驗證
圖3. 反饋系統的內環分析無獨有偶，在同期的Nature上，來自于奧地利維也納大學的Lorenzo Magrini & Markus Aspelmeyer等研究者，也得到了類似的研究成果，但他們采用的方式是不一樣的。他們演示了光學捕獲納米粒子量子軌跡的實時最優控制。研究者將接近海森堡極限的共焦位置傳感與卡爾曼濾波的最優狀態估計相結合，在位置不確定性為零點波動1.3倍的情況下，實時跟蹤粒子在相空間中的運動。優化反饋使量子諧振子穩定在平均占用0.56±0.02個量子，實現了室溫下的量子基態冷卻。相關論文以題為“Real-time optimal quantum control of mechanical motion at room temperature”于2021年07月14日發表在Nature上。
圖1 實驗裝置
圖2 卡爾曼濾波與驗證
圖3 量子最優控制所謂“條條大路通羅馬”，兩組科研人員不同的研究方式，獲得了相似的研究成果，他們彼此成就，相互佐證，相互彌補，他們的關系，像極了“愛情”……綜上，第二個工作建立了量子卡爾曼濾波作為一種方法來實現力學運動的量子控制，對所有尺度的感知都有潛在的影響。與此同時，結合第一個工作的“懸浮”，這為全面控制固態宏觀量子物體，在線性和非線性系統中的波包動力學鋪平了道路。參考文獻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原文鏈接https://www.nature.com/articles/s41586-021-03602-3https://www.nature.com/articles/s41586-021-03602-3#citeas
