光子盒研究院出品
Physics World 2021年度突破獎授予了兩個獨立的團隊，他們讓兩個宏觀振動的機械鼓糾纏在一起，進而推進了我們對量子和經典系統之間界限的了解。獲獎者是Mika Sillanp 和他在芬蘭阿爾托大學和澳洲新南威爾士大學的同僚，以及美國國家标準與技術研究院(NIST)的John Teufel和Shlomi Kotler上司的團隊。
NIST的研究人員将這兩個機械鼓的節拍糾纏在一起——機械鼓是由大約1萬億個原子組成的微小鋁膜——并精确地測量了它們相關的量子特性。像這樣的糾纏對(如這張彩色的顯微圖所示)，按量子标準來說是巨大的，将來可能在大規模的量子網絡中執行計算和傳輸資料。圖檔來源：J. Teufel/NIST
量子技術在過去二十年中取得了長足的進步，實體學家現在能夠建構和操縱曾經處于思想實驗領域的系統。一個特别引人入勝的研究途徑是量子實體學和經典實體學之間的模糊邊界。過去，可以根據大小進行清晰的劃分：光子和電子等微小物體存在于量子世界，而撞球等大型物體則遵循經典實體學。
在過去的十年中，實體學家一直在使用直徑約為10微米的鼓狀機械諧振器來突破量子的極限。與電子或光子不同，這些機械鼓是使用标準微加工技術制造的宏觀物體，在電子顯微鏡圖像中看起來像撞球一樣堅固(見上圖)。然而，盡管諧振器具有有形的性質，但研究人員已經能夠觀察到它們的量子特性，例如，Teufel及其同僚在2017年将一個裝置置于量子基态。
今年，由Teufel和Kotler上司的團隊以及Sillanp 的獨立團隊更進一步，成為第一個在用量子力學糾纏兩個這樣的鼓的團隊。這兩個團隊以不同的方式産生了糾纏。芬蘭/澳洲團隊使用特别選擇的諧振頻率來消除系統中可能幹擾糾纏狀态的噪聲，而NIST團隊的糾纏類似于一個雙量子比特門，其中糾纏态的形式取決于鼓的初始狀态。
兩個團隊都克服了重大的實驗挑戰，他們的巨大努力可以為糾纏諧振器用作量子傳感器或量子網絡中的節點打開大門。是以，這項工作當之無愧地成為自2015年以來第一個與量子相關的年度突破。
這些鼓呈現集體量子運動。圖檔來源：阿爾托大學Mika Sillanp 研究團隊
今年，該網站公布了近600項最新研究成果，五位Physics World編輯從中選出了今年的年度突破和九位亞軍。除了在2021年被Physics World報道之外，還必須滿足以下标準：
● 在知識或了解方面取得重大進展
● 工作對科學進步和/或實際應用開發的重要性
● Physics World讀者普遍感興趣
在2021年的十大突破中，其他九項成就也受到了高度贊揚。
加州大學舊金山分校的Edward Chang、David Moses、Sean Metzger、Jessie Liu及其同僚開發了一種語音神經假體，通過将大腦信号直接翻譯成螢幕上的文字，使嚴重癱瘓的人能夠用句子交流。為了實作這一目标，研究團隊使用植入參與者大腦表面的高密度電極陣列來記錄參與語音形成的多個皮質區域的電活動。基于系統可以從記錄的皮質活動中的模式中識别出的50個單詞的詞彙，他能夠産生數百個短句。這項技術顯示出令人鼓舞的每分鐘15.2個單詞的中值解碼率——大約是他通常用于交流的基于計算機的打字界面的三倍。
一個神經假體記錄了參與者在試圖遣詞造句時的大腦皮層活動。圖檔來源：Todd Dubnicoff，UCSF
德國維爾茨堡大學的Sebastian Klembt、以色列理工學院的Mordechai Segev及其同僚建立了一個由30個垂直腔面發射雷射器(VCSEL)組成的陣列，這些雷射器充當單個相幹光源，為大規模、高功率應用鋪平了道路。該團隊利用拓撲光子學原理來確定陣列中每個雷射器的光都經過所有其他雷射器，迫使它們以相同的頻率發射。新設計克服了Segev和合作者在2018年制造的前一代裝置的功率限制，原則上可以擴大到包含數百個單獨的雷射器。
美國加州國家點火裝置(NIF)的Omar Hurricane、Annie Kritcher、Alex Zylstra和Debbie Callahan及其同僚向實作“點火”的最終目标邁進了一步。自從NIF在十多年前開啟以來，它的長期目标是證明它可以實作點火——聚變反應産生的能量至少與其雷射器投入的能量一樣多。這包括自持反應，其中在聚變過程中發射的α粒子也會釋放熱量，引發進一步聚變。NIF由勞倫斯利弗莫爾國家實驗室營運，将192個脈沖雷射束射向一個厘米長的空心金屬圓柱體的内表面，稱為黑體輻射空腔(hohlraum)。裡面是一個燃料膠囊，它是一個直徑約2毫米的空心球體，含有一個薄的氘氚層。2009年至2012年的實驗遠遠沒有達到點火，是以研究人員繼續進行改進。今年8月8日，研究人員獲得了超過1.3 MJ的能量産出，大約是雷射脈沖傳遞到樣品的能量的70%，這一結果令人驚歎。盡管仍達不到收支平衡，但這一數字遠遠超過了先前的0.1 MJ左右的名額，一些專家将這一結果描述為自1972年開始慣性聚變以來最顯著的進步。一些專家将這一結果描述為自1972年以來慣性聚變最重大的進展。
耗資35億美元的美國國家點火裝置(NIF)的科學家向實作“點火”的最終目标邁進了一步——聚變反應産生的能量至少與雷射系統提供的能量相同。圖檔來源：NIF
歐洲核子研究中心(CERN)反氫雷射實體裝置(ALPHA)和重子反重子對稱實驗(BASE)的研究人員合作進行了兩項獨立研究，提出冷卻粒子和反粒子的新方法。這些技術可以為精确研究宇宙中的物質-反物質不對稱性鋪平道路。ALPHA合作首次展示了反氫原子的雷射冷卻。為了實作這一目标，實體學家開發了一種新型雷射器，它産生121.6nm的雷射脈沖，以冷卻反原子。然後，他們以前所未有的精度測量了反氫中的關鍵電子躍遷，這一突破可能導緻對反物質其他關鍵性質的測試得到改善。與此同時，BASE的研究人員展示了如何通過連接配接到幾厘米外的雷射冷卻離子雲的超導電路從單個質子中提取熱量。他們說，這種技術可以很容易地應用于反質子。
事件視界望遠鏡合作（EHT）用于建立第一張圖像，顯示超大品質黑洞周圍區域的光偏振。極化揭示了在物質加速進入M87*的區域中存在強磁場，M87*是一個品質超過太陽品質六十億倍的黑洞。對這種極化的進一步研究可以為一些黑洞如何産生巨大的噴流，将物質和輻射噴射到周圍的空間提供重要的見解。2019年，EHT通過捕獲黑洞陰影的第一張圖像創造了曆史，并且該合作是以獲得了2019年實體世界年度突破獎。
偏振光下M87超大品質黑洞的圖像。圖檔來源：EHT Collaboration
德國海德堡馬克斯·普朗克核實體研究所、德國電子同步加速器和法國歐洲同步加速器設施的J rg Evers及其同僚率先實作了核激發的相幹量子控制。該團隊使用同步加速器發出的X射線，通過兩個超短脈沖傳送到原子核。通過調整脈沖的相位，研究團隊可以在相幹增強激發和相幹增強發射之間切換鐵原子核。除了提供對量子物質的更好了解外，這項工作還可以加速新技術的發展，如超精密核鐘和能夠儲存大量能量的電池。
美國JILA的Christian Sanner及其同僚；奧塔哥大學的Amita Deb和Niels Kj rgaard；以及美國麻省理工學院的Wolfgang Ketterle及其同僚，他們獨立觀察了費米子原子超冷氣體中的泡利阻塞。泡利阻塞發生在這樣的氣體中：因為組成原子幾乎填滿了所有可用的低能量子态，這阻止了原子向相鄰态進行小的躍遷。這影響了光從氣體中的原子散射的方式，所有三個團隊都觀察到泡利阻塞增加了氣體在冷卻時的透明度。這種效應有朝一日可以用來改進基于超冷原子的技術，如光學時鐘和量子中繼器。
缪子反常磁矩實驗(Muon g-2實驗)提供了進一步的證據，證明缪子磁矩的測量值與理論預測不一緻。一個國際團隊在美國費米實驗室的存儲環中循環了一束磁極化缪子。缪子的磁矩被磁場旋轉，旋轉速率給出了缪子磁矩的大小。理論和實驗之間的差異是二十年前在布魯克海文國家實驗室首次發現的。現在，費米實驗室/布魯克海文的綜合結果顯示，實驗和理論之間的差異為4.2σ，小于發現所需的5σ。如果這種差異經得起未來實驗的考驗，那麼它可能指向标準模型之外的新實體學。
費米國家加速器實驗室的Muon g-2存儲環。圖檔來源：Reidar Hahn/Fermilab
參考連結：
https://physicsworld.com/a/quantum-entanglement-of-two-macroscopic-objects-is-the-physics-world-2021-breakthrough-of-the-year/
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轉載自“光子盒”公衆号
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