這一突破可能使探索更大、更復雜系統(tǒng)（從生物結構到工程設備）中的量子效應變得容易得多，而無需龐大的低溫裝置。

當你從原子和分子轉向高溫下更大的物體時，量子物理學的奇妙規(guī)則幾乎總是失效。

這是因為物體越大、溫度越高，就越難阻止它與周圍環(huán)境相互作用，而這種相互作用通常會抹去微妙的量子行為。

然而，一項新研究成功實現(xiàn)了某種嚴重突破這些限制的成果。該研究表明，一個微小的玻璃球（其尺寸仍比一粒沙子小一千多倍，但在量子尺度上已是龐然大物）的旋轉運動可以被冷卻至接近量子物理學所允許的最安靜狀態(tài)，純度達到約92%，即使粒子本身仍處于數(shù)百攝氏度的高溫狀態(tài)。

這是科學家們首次在無需將整個物體冷卻至接近絕對零度的情況下達到如此純粹的量子態(tài)，為那些曾被認為只有在深度冷凍實驗室中才可能進行的實驗打開了大門。

研究作者指出：“我們的室溫實驗所達到的純度超過了在低溫環(huán)境下機械夾持振蕩器的性能，為在室溫下實現(xiàn)高純度量子光力學建立了平臺?！?/p>

針對物體特定運動的巧妙捷徑

通常，要在比分子大的物體中觀察到量子行為，研究人員必須采取極端措施：將粒子懸浮在真空中以屏蔽外部干擾，并將其周圍環(huán)境冷卻至接近-273.15°C，使其運動變得如量子規(guī)則所允許的那樣有序。

即便如此，這也很棘手。這是因為量子世界中的運動是量子化的 —— 它只能以特定的能量塊（稱為振動量子）發(fā)生。存在一個稱為基態(tài)的最低能量模式，一個能量稍高的第一激發(fā)態(tài)，等等。盡管粒子可以存在于這些狀態(tài)的混合態(tài)中。讓大粒子達到基態(tài)一直是一個里程碑式的目標。直到現(xiàn)在，這都需要將一切冷卻到極低的極端溫度。

研究作者采用了一個巧妙的捷徑。他們沒有試圖冷卻粒子的整個內部能量（其能量遠大于其運動的能量），而是僅僅針對一種特定的運動：旋轉。

利用受控激光和鏡面系統(tǒng)來耗散旋轉能量

研究人員使用的納米粒子并非完美的球形，而是略微拉伸的橢圓形。當被束縛在電磁場中時，這樣的粒子會自然地圍繞一個固定的方向旋轉，就像指南針圍繞北極搖擺一樣。

通過精確控制激光和鏡面系統(tǒng)，形成一個高精細度的光學諧振腔，研究團隊可以影響這種搖擺。其中的訣竅在于，激光既可以向旋轉中注入能量，也可以從中抽取能量。

通過仔細調整鏡面，使得能量被抽走的可能性遠大于能量被注入，科學家們幾乎耗盡了所有的旋轉能量。在此過程中，他們還必須考慮并控制來自激光的量子噪聲（隨機波動），否則這些噪聲可能會破壞這一精妙的過程。

這導致旋轉運動被“凍結”在一個極其接近量子基態(tài)的狀態(tài)，殘余能量僅為0.04個量子，量子純度約為92%，盡管粒子內部的溫度仍有數(shù)百攝氏度。

使量子系統(tǒng)更具實用性的關鍵

這一成果打破了量子研究中一個長期存在的障礙。它表明，研究物體的量子特性并不需要將整個物體冷卻到超低溫度。

相反，通過分別處理不同類型的運動（如旋轉），可以有選擇地將系統(tǒng)的某些部分帶入量子領域，而其余部分則保持高溫和混亂狀態(tài)。

這種方法可能使探索更大、更復雜系統(tǒng)（從生物結構到工程設備）中的量子效應變得容易得多，而無需龐大的低溫裝置。

然而，這項工作專注于精心挑選的納米粒子中的一種特定運動。因此，它尚不是適用于每個大型物體的通用方法。未來的研究可能會探索同樣的原理是否能夠控制其他運動，或者是否適用于不同的形狀和材料。

該研究已發(fā)表在《自然·物理學》雜志上。

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