该结果为研究引力对量子态中相对较大物体的影响开辟了可能性

在人眼看来，大多数静止物体似乎就是那样——静止，完全静止。然而，如果我们拿到一个量子透镜，让我们能够以单个原子的尺度观察物体，那么闲置在我们桌子上的苹果会看起来像一个充满振动的粒子集合，非常运动。

在过去的几十年里，物理学家找到了超冷物体的方法，使它们的原子几乎处于静止状态，或者处于“运动基态”。迄今为止，物理学家已经将数百万个原子云或纳米级物体等小物体转化为这种纯量子态。

现在，麻省理工学院和其他地方的科学家们第一次将一个大型人类尺度的物体冷却到接近其运动基态。从位于一个位置的意义上说，该物体不是有形的，而是四个独立物体的组合运动，每个物体重约 40 公斤。研究人员冷却的“物体”估计质量约为 10 公斤，包含约 1x10 26或近 1 octillion 的原子。

研究人员利用激光干涉仪引力波天文台 (LIGO) 的能力以极其精确的方式测量质量的运动，并将质量的集体运动超冷至 77 纳开尔文，略低于物体预测的基态10 纳开尔文。

他们的结果今天发表在《科学》杂志上，代表了将被冷却到接近其运动基态的最大物体。科学家们表示，他们现在有机会观察引力对巨大量子物体的影响。

负责该项目的麻省理工学院机械工程助理教授 Vivishek Sudhir 说：“没有人观察到重力如何作用于大量量子态。” “我们已经展示了如何在量子状态下制备公斤级物体。这最终为引力如何影响大型量子物体的实验研究打开了大门，这是迄今为止梦寐以求的事情。”

该研究的作者是 LIGO 实验室的成员，包括主要作者和研究生 Chris Whittle、博士后 Evan Hall、研究科学家 Sheila Dwyer、科学学院院长以及 Curtis 和 Kathleen Marble 天体物理学教授 Nergis Mavalvala 和助理教授机械工程 Vivishek Sudhir。

精准反击

由于原子之间的许多相互作用以及来自外部影响的相互作用，所有物体都体现出某种运动。所有这些随机运动都反映在物体的温度中。当一个物体冷却到接近零温度时，它仍然有剩余的量子运动，这种状态称为“运动基态”。

为了阻止一个物体在它的轨道上，人们可以对其施加一个相等且相反的力。（想想用你的手套的力量在飞行中停止棒球。）如果科学家能够精确地测量原子运动的幅度和方向，他们就可以施加反作用力来降低它的温度——一种被称为反馈冷却的技术。

物理学家已经通过包括激光在内的各种方式应用反馈冷却，将单个原子和超轻物体带到它们的量子基态，并试图对逐渐变大的物体进行超级冷却，以研究更大的传统经典系统中的量子效应。

“物体具有温度这一事实反映了它与周围物体相互作用的想法，”Sudhir 说。“而且很难将较大的物体与周围发生的所有事情隔离开来。”

要将大型物体的原子冷却到接近基态，首先必须极其精确地测量它们的运动，以了解停止这种运动所需的推力程度。世界上很少有仪器能达到这样的精度。LIGO 碰巧可以。

引力波探测天文台包括位于美国不同地点的双干涉仪。每个干涉仪都有两条长长的隧道，呈 L 形连接，向任一方向延伸 4 公里。在每条隧道的两端都有一个 40 公斤重的镜子，由细纤维悬挂，它像钟摆一样摆动，以响应任何干扰，例如传入的引力波。隧道连接处的激光被分裂并向下发送到每个隧道，然后反射回其源头。返回激光的时间精确地告诉科学家每个镜子移动了多少，精度为质子宽度的 1/10,000。

Sudhir 和他的同事想知道他们是否可以使用 LIGO 的运动测量精度首先测量大型人体尺度物体的运动，然后施加与他们测量的相反的反作用力，使物体达到基态。

反作用于反作用

他们想要冷却的物体不是单独的镜子，而是 LIGO 四个镜子的组合运动。

“LIGO 旨在测量四个 40 公斤镜子的关节运动，”Sudhir 解释说。“事实证明，你可以用数学方法绘制这些质量的联合运动，并将它们视为单个 10 公斤物体的运动。”

Sudhir 说，在测量原子运动和其他量子效应时，测量行为本身可以随机踢镜子并使其运动——这种量子效应称为“测量反作用”。当激光的单个光子从镜子反弹以收集有关其运动的信息时，光子的动量会推回镜子。Sudhir 和他的同事意识到，如果像在 LIGO 中那样连续测量镜子，则可以在后来的光子携带的信息中观察到过去光子的随机反冲。

有了每面镜子上量子扰动和经典扰动的完整记录，研究人员通过在每个镜子背面连接的电磁铁施加了相等且相反的力。这种效应使集体运动几乎停止，使镜子的能量如此之少，以至于它们移动的距离不超过 10 -20米，不到质子大小的千分之一。  

然后，该团队将物体的剩余能量或运动与温度等同起来，发现该物体的温度为 77 纳开尔文，非常接近其运动基态，他们预测为 10 纳开尔文。

“这与原子物理学家冷却他们的原子以达到基态的温度相当，那是一团大约一百万个原子的小云，重皮克，”Sudhir 说。“所以，你可以将重得多的东西冷却到相同的温度，这是非常了不起的。”

“准备处于基态的东西通常是将其置于令人兴奋或奇异的量子态的第一步，”惠特尔说。“所以这项工作令人兴奋，因为它可能让我们以前所未有的大规模研究其他一些状态。”

这项研究部分得到了美国国家科学基金会的支持。