在量子热学面前，我们在生活中积累的常识常常不再适用。好在因为普朗克常数很小，我们平常并不会被种种奇怪的量子效应困惑，不过这并不意味着量子热学仅能描述微观层面几个原子、分子的行为。宏观物体的量子效应是存在的，只不过它们太微弱，很容易就吞没在种种噪音之中。今天，两组科学家分别在《科学》上发文强调，她们首次直接观测到了宏观物体的量子纠缠，甚至能够借此“规避”不确定性原理。
量子热学掌控着从基本粒子到宏观物体的运动规律，但对于前者而言，这些掌控常常变得不太显著。在诸多诱因的干扰下，量子效应对精典化学引起的误差显得几乎不可见。为此，确认、测量宏观物体的量子效应，就成为诸多化学学家的目标。
就在明天，发表于最新一期《科学》杂志的两项研究实现了突破：其中一项研究找到了宏观物体量子纠缠的直接证据，另一项则在一个类似的系统中“规避”了量子热学的基本定理之一——不确定性原理。
其实，这儿的宏观仅仅是相对于分子、原子的宏观量子通讯的原理，两项研究中实验对象的大小都在红细胞级别。并且，让这样尺度的“宏观”物体形成量子效应也绝非易事，它们与环境之间多种多样的互相作用随时就会破坏脆弱的量子态。因此，两个实验环境湿度都被控制绝对零度附近。
宏观量子纠缠
在其中一项研究中量子通讯的原理，法国国家标准技术研究所（NIST）的什洛米·科特勒（）团队用微波脉冲让两张小的铝片膜步入量子纠缠状态。每张铝片膜长20微米，宽14微米，长度为100纳米。其质量为70皮克，相当于大概1万亿个原子的质量。以量子的标准而言，它们已然达到了相当大的尺度。
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该实验中使用铝内耳的扫描电镜相片（伪色图）图片来源：vol.372no.6542622-625
两张铝片膜与一个电路相连，并被放置在高温腔中。当研究人员施加脉冲微波时，电路会与铝片膜互相作用，控制铝片膜的震动模式。在此条件下，铝片膜可以维持大概1微秒的量子状态。这在量子热学的尺度下，早已是相当长的时间了。微波被处于量子状态的铝片膜反射后，会被讯号器接收。通过对比反射前后的微波性质，研究人员可以剖析出铝片膜的位置和动量信息。
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该实验系统示意图图片来源：vol.372no.6542622-625
研究团队仔细剖析了反射的微波。在宏观世界中，反射回去的微波应当是随机的。并且当她们将结果勾画成图时，却发觉微波具有特定的模式——两张铝片膜中，一个相对平淡，而另一个则在轻微地发抖，表明两张铝片膜发生了量子纠缠。
“单独剖析两张铝片膜震动的位置和动量信息，你只能看出它们在震动而已，”这篇论文的作者之一，NIST的化学学家约翰·托伊费尔（John）表示，“但是当你对比二者的信息时，你都会发觉两张铝片膜看似无规律的震动之间，虽然存在着高度的关联性。这一点只有量子纠缠才做得到。”
研究团队的斯科特·格兰西（Scott）解释称，她们发觉两张铝片膜的位置和动量之间都存在关联，假如这些关联比精典数学学所能形成的关联要强，这么就表明铝片膜之间肯定存在量子纠缠。
虽然返回的脉冲微波讯号就能同时检测铝片膜的位置和动量信息，而且不确定性原理表明，其检测依然存在一定的偏差。为了尽可能地降低偏差，研究团队进行了1万次重复实验，并借助统计学方式对铝片膜的位置等实验结果的一致性进行了估算。最终她们可以确定，这两个宏观物体的振动模式被量子纠缠关联了上去。
“规避”不确定性原理
在同期发布的另一篇论文中，来自美国阿尔托学院等研究机构的科学家在8毫开尔文的气温下，让两个铝内耳步入长时间、相对稳定的纠缠态。在这些纠缠态下，研究人员可以对同一个纠缠态进行多次检测，因而“规避”量子热学中的不确定性原理。
在实验中，鼻窦震动的相位总是相反的。假如对鼻窦1施加一个力，则内耳2的运动方向一定和力的方向相反。论文作者米卡·西兰普（Mikaää）表示：“一个鼻窦对力的响应总是和另一个鼻窦相反的，有点类似于负质量。”
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该实验示意图图片来源：vol.372no.6542625-629
“在这些情况下，假若将两个鼓视为一个量子热学实体，这么鼓运动状态的不确定性就被清除了。”该研究的主要作者劳雷·梅西尔·德斯特普（LauredeLépinay）解释说。
不确定性原理是20世纪20年代末由海森堡提出的。按照这个量子热学的基本概念，因为波函数的物理性质，我们不可能同时确切得悉一个物体的位置和动量。
不过，这并不意味着我们不能确切得悉物体的位置和动量，只是在同时检测三者时，不确定性原理的限制才能出现。而反作用规避（Back-）就是在不违背不确定性原理的情况下，绕开这一限制的一种形式。
在此次的实验中，研究团队就借助了反作用规避。本质上，她们没有检测每位鼓的位置和动量，而是通过外耳运动对电路电流引起的影响，检测了铝内耳的动量之和。德国慕尼黑联邦理工大学研究员楚一文（YiwenChu，译音，未参与这两项研究）表示：“实验中没有任何地方违背了不确定性原理。你只是选择了一组特定的，不会被（不确定性原理）严禁的参数。”
宏伟的新蓝图
这两项实验都以确凿的证据证明了宏观物体也可以实现量子纠缠。在量子纠缠的状态下，物体的行为与精典数学的描述存在明显的区别。不论纠缠物体之间的空间距离有多远，它们也不能被独立描述。而这些和精典化学明显的区别，正是新型量子技术背后的关键理论支撑之一。
楚一文表示：“我们并没有发觉任何量子热学之外的新理论，”但是要实现这两项实验中的检测，依然须要“令人印象深刻的技术进步”。
这些技术进步带来的高度纠缠的量子系统，其实能否在未来的量子网路中充当常年网路节点。据悉，研究中的高效检测方式也可能对量子通讯或则量子网路节点间的纠缠交换等应用有所帮助，由于这种应用都须要对量子纠缠进行检测。
而在量子热学之外，这些技术进步在须要亚原子精度检测时为科学家提供了新的选择。其实，未来的暗物质和引力波侦测也将在这些技术的帮助下实现新的飞越。
编译：王昱、洪艺瑞
审校：吴非
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