物理学家创造迄今最大量子叠加态 7000个原子同时存在多个位置

近年来,量子信息、精密测量等前沿方向持续升温,但一个基础问题始终牵动学界:量子叠加能“长到多大”?

日常世界遵循经典规律,而微观世界服从量子规则,两者之间是否存在明确的分界点,抑或只是随着尺度增大而逐步“退相干”,一直缺少更高尺度的直接证据。

维也纳大学团队此次将约7000个钠原子构成的团簇置于不同空间位置的叠加态,并获得清晰干涉信号,使“更大尺度量子态能否稳定存在”这一问题得到新的实验回答。

从原因看,一方面,量子理论本身并未给出“超过某个质量或尺寸就必然失效”的硬性上限;另一方面,现实环境中无处不在的气体分子碰撞、杂散光、电磁场扰动以及装置微小错位,都会破坏脆弱的量子相干性,导致宏观物体难以呈现量子行为。

为在更大体系上维持叠加态,研究团队采取了多重“降噪”策略:在超高真空中制备团簇束流,在约77K的低温条件下运行,使用由三层激光光栅构成的干涉仪将团簇波函数分束、重合并读出。

实验中,原子团簇并非以“粒子小球”方式穿越装置,而是以波动形式扩展到空间上分离的多条路径,随后发生干涉并形成特征图样。

研究人员表示,为捕捉到稳定信号耗时约两年,反映出宏观量子实验对环境与系统误差的极端敏感性。

从影响看,此项结果首先为“量子—经典过渡”的研究提供了更强的实证基础。

物体尺度增大后量子态消失,通常可用退相干解释:系统与外界耦合增强、内部自由度增多,使叠加态迅速被环境“测量”而丧失相干。

与此同时,部分“坍缩”类理论提出,即便系统足够隔离,当达到某种临界规模时也会自发趋于经典态。

当前不同解释并存且争议持续,而扩大实验规模、在可控条件下持续检验,是推动争论走向可验证科学命题的关键路径。

此次将团簇叠加的空间分离度提升到133纳米,并在综合质量、相干持续时间与分离尺度的“宏观性”指标上实现显著跃升,有助于进一步压缩相关理论可容许的参数空间。

其次,成果也具有现实技术指向。

量子计算与量子传感的核心在于让大量量子自由度保持可操控的相干性。

如果自然界在某一尺度出现不可逾越的“坍缩阈值”,且这一阈值低于实际构建大型量子器件所需规模,将对未来路线构成根本性挑战。

尽管团簇干涉并不等同于可扩展量子计算架构,但其展示了在更重、更复杂的体系中维持量子相干的可能性,为相关工程路径提供信心与方法储备。

从对策看,进一步提升宏观量子实验规模,需要在三方面持续突破:其一,持续提升隔离与稳定能力,包括更高等级真空、更低温度、更强的电磁屏蔽与振动控制,降低不可控散射与相位噪声;其二,优化干涉与读出方案,提升对微弱干涉条纹的识别效率,并增强对系统性误差的校准能力;其三,建立可比性更强的评估体系。

不同实验以质量、分离距离、相干时间为侧重,容易出现“谁更大”的口径差异。

通过统一或更清晰的指标体系,有助于将各路线成果纳入同一坐标系,推动跨团队验证与复现实验。

从前景看,宏观量子研究正呈现“多路线并进”的态势:一类侧重提高质量规模,一类侧重扩大空间分离度,另一类则强调更长相干时间与更高可控性。

此次团簇叠加在“宏观性”指标上的跃升,意味着未来有望把类似技术推向更复杂的分子体系,甚至向接近生物颗粒尺度迈进。

随着实验规模持续扩展,关于退相干机制、引力与量子相干的关系、以及各类坍缩模型的可检验预言,都有望在更严格的实验约束下得到澄清。

与此同时,相关技术积累也将反哺量子测量、材料与低温工程等领域,形成基础研究与应用探索的良性循环。

当7000个原子同时出现在不同位置,这不仅是实验室里的微观奇迹,更是人类认知边界的重要拓展。

从薛定谔1935年思想实验中的"既死又活"的猫,到今天可观测的宏观量子态,科学界正逐步逼近那个神秘的分界点——在那里,量子世界的奇异规律如何过渡为我们熟悉的经典现实。

这项研究启示我们,基础科学的突破往往始于对常识的大胆质疑,而每一次量尺的延伸,都可能重塑人类理解宇宙的基本框架。