最大纳米颗粒量子叠加态成功构建全纪录

信息来源：科技日报

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科技日报记者 张佳欣

奥地利维也纳大学的研究团队在最新一期《自然》杂志发表成果，首次将尺寸接近病毒的金属纳米团簇置于空间分离明显的量子叠加态中，创造了有史以来宏观尺度上最显著的叠加态。这一成果为探究量子世界与经典世界的边界提供了新依据，也对量子计算、量子精密测量等前沿技术具有重要启示。

早在1935年，物理学家薛定谔就提出了著名的“薛定谔的猫”思想实验，他指出如果量子力学适用于一切尺度，那么宏观物体也应该能够处于叠加态。然而在现实中，物体尺寸超过一定程度后，会因为环境干扰（即“退相干”）而失去量子特性，从而丧失处于量子叠加态的能力。但量子世界和经典世界之间的这条界线是否真的存在，一直悬而未决。

在最新研究中，物理学家将这一实验边界推进到前所未有的尺度。团队制备了由超过7000个钠原子组成、直径约8纳米的金属团簇。这类团簇在质量和尺度上，已接近部分病毒颗粒。接着，他们通过精密干涉实验，使这些团簇同时处于相距约133纳米的不同空间位置，形成类似“薛定谔猫”的量子叠加态。

实验采用了由三组激光光栅构成的干涉装置。在超高真空和低温条件下，钠纳米颗粒通过狭缝后表现出明显的波动性，不同路径对应的“物质波”相互干涉，最终形成清晰的“干涉图样”。团队正是通过这一信号，确认纳米颗粒处于量子叠加状态。

结果显示，每个纳米颗粒并非沿单一路径运动，而是如同一个在空间中展开的“概率云”，其叠加态的空间分离距离约为颗粒自身尺寸的16倍。这表明，在这一尺度上，量子力学依然能够准确描述物体行为。

为衡量量子效应在宏观尺度上的显著程度，物理学家通常使用“宏观性”指标，该指标综合考虑物体质量、叠加态分离距离及量子态维持时间等因素。本次实验的宏观性达到15.5，较此前纪录提升约一个数量级。

未来，团队计划将实验对象进一步扩展至病毒等大型生物体系，并利用干涉图样作为高灵敏探针，探索微弱而难以测量的物理作用力。