四川
量子世界有一條堪稱魔法的規(guī)則：粒子可以"穿墻而過"。這種叫做量子隧穿的現象，早在近百年前就被物理學家寫進教科書，但長期以來，它幾乎只屬于電子、質子這類極輕粒子的專屬技能。
質量越大，隧穿越難，這是量子力學的鐵律。
南方科技大學物理系副教授楊兵團隊近日打破了這一長期困局。他們在實驗中讓質量高達608個原子質量單位（約相當于100萬個電子質量）的原子團簇成功穿越了勢壘，并由此構建出可用于量子精密測量的空間糾纏態(tài)。相關成果發(fā)表于國際頂級期刊《自然-物理》。
要理解這項工作的突破意義，先得搞清楚量子隧穿為什么那么難。
在經典物理的世界里，一個球滾向一堵墻，能量不夠就會被彈回，絕不可能穿過去。但量子力學告訴我們，微觀粒子并不是一個精確定位的小球，而是以概率波的形式彌散在空間中，即便"沒有足夠能量"，它也有一定的概率出現在勢壘的另一側，這就是量子隧穿。
問題在于，這個概率隨粒子質量的增加呈指數級暴跌。舉個具體的例子：一個動能為1電子伏特的電子，面對高2電子伏特、寬0.1納米的勢壘，隧穿概率約為36%，已經相當可觀。而質量僅是電子1836倍的質子，在完全相同的條件下，隧穿概率就驟降至約十的負十四次方，幾乎為零。
質量每增加一點，概率就掉一個懸崖。這就是為什么日常宏觀世界里，我們從不擔心人會"穿墻而過"。
楊兵團隊的突破，核心在于他們沒有試圖硬拼這道指數衰減的鐵律，而是從根本上改變了游戲規(guī)則。
他們利用超冷原子技術，通過精確調控原子間的相互作用，把多個原子"捆綁"成一個束縛團簇，讓整個團簇作為一個整體去參與隧穿過程。這套方案的精妙之處在于，團簇內部的相互作用可以抵消質量增大帶來的指數壓制，使得隧穿強度對質量近似保持不變。換句話說，即便整體質量大幅增加，團簇隧穿的概率也不會像預期那樣斷崖式下跌。
實驗最終觀測到的最大團簇質量達到608個原子質量單位，這已經是單原子隧穿實驗中粒子質量的數百倍量級。
這一機制的實現，有賴于超冷原子領域近年來高度成熟的精密調控技術。研究人員可以用磁場和激光以接近絕對零度的低溫將原子"凍住"，再通過Feshbach共振等手段精確調節(jié)原子間的吸引或排斥強度，從而定制出所需的團簇狀態(tài)。正是這套工具箱，讓研究團隊得以在實驗室里真正"建造"出以往只存在于理論想象中的量子態(tài)。
讓團隊更興奮的，或許不只是隧穿本身，而是隧穿之后發(fā)生的事情。
當原子團簇穿越勢壘時，它并非簡單地"出現在另一側"，而是形成了一種同時處于勢壘兩側的量子疊加狀態(tài)。團隊利用這一過程，構建出了所謂的NOON態(tài)，一種高度糾纏的空間量子態(tài)。
NOON態(tài)是量子精密測量領域的"明星選手"。它的核心優(yōu)勢在于相位靈敏度隨粒子數N的增加而增強，突破了經典測量的散粒噪聲極限。團隊的實驗數據表明，單個團簇已實現最高3.4分貝的量子增強。
更令人印象深刻的是集體效應：通過約250個團簇的并行測量，團隊實現了對亞微米空間尺度上約1.4赫茲能量差的高精度探測，這一精度已足以感知極其微弱的空間能量變化。
與傳統的單原子干涉方案相比，大質量團簇的空間糾纏在探測質量敏感效應方面具有天然優(yōu)勢。引力效應與物體質量直接相關，而大質量量子態(tài)對引力場的響應，理論上遠比單個輕原子更為顯著。這使得該實驗平臺在探索量子力學與引力理論的交叉地帶，具備了切實可行的實驗價值。
這項研究的意義，不僅僅是讓更重的東西"穿墻而過"。它打開了一扇門，讓科學家得以用量子手段去觸碰那些此前只能靠經典儀器探測的微弱物理信號，甚至有朝一日，或許能幫助人類在實驗桌上檢驗廣義相對論與量子力學能否握手言和。
特別聲明：以上內容(如有圖片或視頻亦包括在內)為自媒體平臺“網易號”用戶上傳并發(fā)布，本平臺僅提供信息存儲服務。
Notice: The content above (including the pictures and videos if any) is uploaded and posted by a user of NetEase Hao, which is a social media platform and only provides information storage services.
念洲
