在史無前例的量子實驗中,2000個原子同時實現“量子疊加”

在史無前例的量子實驗中,2000個原子同時實現“量子疊加”

科學家們早就知道這幾點事實在理論上是正確的:宇宙中的每個粒子或一組粒子也是一種波 - 甚至大粒子,甚至細菌,甚至是人類,甚至是行星和恆星。波可以同時佔據空間的多個地方。因此任何物質也可以同時佔據兩個位置。物理學家稱這種現象為“量子疊加”,數十年來,物理學家已經使用小微粒證明了這一現象。

但是,近年來,物理學家擴大了他們的實驗規模,用越來越大的粒子演示了量子疊加。現在,一個國際研究人員小組已使由2,000個原子組成的分子同時佔據兩個位置,即實現了量子疊加。

在史無前例的量子實驗中,2000個原子同時實現“量子疊加”

為了實現這一目標,研究人員建立了一個之前著名實驗的複雜的現代版本,這個實驗曾首先展示了量子疊加。

長期以來,研究人員就知道,光線穿過一塊有兩個縫隙的擋板時,會在擋板後面的牆壁上形成干涉圖案或一系列明暗條紋。但是光被理解為無質量的波,而不是由粒子組成的東西,因此這並不奇怪。但是,在1920年代的一系列著名實驗中,物理學家表明,通過薄膜或晶體發射的電子將以類似的方式起作用,在衍射材料後面的擋壁上形成像光一樣的圖案。

如果電子僅僅是粒子,並且一次只能佔據一個空間,那麼它們將在薄膜或晶體後面的擋壁上形成兩條大致呈狹縫狀的條紋。但是,相反,電子以複雜的方式撞擊了那堵牆,表明電子已經產生了干涉。這是波的一個信號;在某些地方,波峰重合,形成了更明亮的區域;而在其他地方,波峰與波谷重合,因此兩者相互抵消,形成了一個暗區。因為物理學家已經知道電子具有質量並且絕對是粒子,所以實驗表明物質既充當單個粒子又充當波。

在史無前例的量子實驗中,2000個原子同時實現“量子疊加”

但是用電子產生干涉圖是一回事。用大分子做這件事要複雜得多。較大的分子具有較不容易檢測到的波,因為更大的物體具有較短的波長,可能導致幾乎看不見的干涉圖。而且,這些2,000原子的粒子的波長小於單個氫原子的直徑,因此它們的干涉圖譜不那麼引人注目。

為了進行大型物體的雙縫實驗,研究人員製造了一臺可以發射分子束(這些物體被稱為“富含氟烷基硫烷基鏈的低聚四苯基卟啉”,重量是氫原子的25,000倍)的機器,可以穿過一系列帶有多個狹縫的格柵和擋板。光束長約2米。科學家在論文中寫道,光束足夠大,以至於研究人員在設計光束髮射器時必須考慮重力和地球自轉等因素。在進行量子物理實驗時,他們還使分子保持一定溫度的狀態,因此,他們不得不考慮加熱以推動粒子運動。

當研究人員打開機器電源時,光束遠端的檢測器仍顯示出干涉圖樣。分子一次佔據空間中的多個點。

研究人員寫道,這是一個令人興奮的結果,證明了比以往任何時候都更大的量子干涉。

作者寫道:“下一代物質波實驗會將質量提高一個數量級。”

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