苏黎世联邦理工学院的科学家们成功让纳米玻璃球悬浮于半空，揭示了此前因过于微小而无法测量的量子振动。这一在室温条件下实现的壮举，为新型量子传感器的研发开辟了道路，未来有望探测暗物质或实现无需GPS的导航。
简而言之
悬浮纳米塔助力量子领域取得突破性进展
三个微小的玻璃球相互依偎，形成了一簇精致的垂直结构，宛如三球冰淇淋层层堆叠——只是规模之小，远超想象。这簇玻璃球的总宽度，仅有人类发丝的十分之一。借助激光束与精密光学仪器的巧妙配合，苏黎世联邦理工学院的研究人员成功让这些微小球体在半空中几乎静止不动。这一非凡的控制能力，或为下一代量子传感器的诞生铺平道路，而量子传感器与量子计算机一道，正代表着量子研究领域中最具前景的新兴技术。
在悬浮实验中，由光子学副教授马丁·弗里默（Martin Frimmer）带领的团队成功抵消了玻璃球体所受的重力。然而，这个细长的球簇仍持续微微颤动，宛如即将静止的指南针指针。这些振动极为迅速且微妙：该结构每秒晃动约百万次，每次晃动的幅度仅有千分之几度。这种微弱的旋转运动反映了一种基本的量子行为，即零点涨落——所有物质都会经历的微小且不可避免的运动。
“根据量子力学原理，任何物体都不可能完全静止不动，”弗里默团队博士后研究员、该研究的第一作者洛伦佐·达尼亚解释道，“物体越大，这些零点涨落就越小，也就越难观测到。”
室温下创纪录的量子纯度
迄今为止，尚无人能以如此精度，测量出如此大小物体中的微小运动。苏黎世联邦理工学院的研究团队之所以能成功，是因为他们能够滤除几乎所有通常会掩盖信号的经典非量子运动源。在他们的测量中，星团92%的运动可归因于量子效应，仅有8%源于经典物理学——这一“量子纯度”水平超出了预期。丹妮娅（Dania）表示：“在此之前，我们并未料到能达到如此高的量子纯度。”
这一成果之所以更为惊人，是因为它是在室温条件下取得的。通常，此类实验需要冷却设备将样本温度降至接近绝对零度（零下273摄氏度）。而苏黎世联邦理工学院（ETH）的实验装置无需此类极端条件。弗里默（Frimmer）将这一壮举比作效率的飞跃：“这就像我们制造出了一种新型交通工具，它比传统卡车能运载更多货物，同时消耗的燃料还更少。”
纳米世界中的量子巨擘
许多研究人员致力于探究单个原子或小规模原子群的量子效应，而弗里默及其团队则专注于对相对较大的物体展开研究。他们研究的纳米球簇在日常生活中或许微不足道，但从量子物理学家的视角来看，它却由数亿个原子构成，堪称庞然大物。人们对这一尺寸的物体产生兴趣，部分源于对未来量子技术应用前景的期待。例如，此类应用需要利用量子力学原理来操控更大规模的系统。
研究人员利用一种名为“光学镊子”的技术，成功实现了纳米粒子的悬浮操控。具体操作时，先将粒子置于透明容器的真空环境中，随后通过透镜将偏振激光聚焦于容器内某一点。当粒子到达该焦点位置时，会与偏振激光的电场产生定向耦合，从而保持稳定悬浮状态。
未来量子技术的跳板
弗里默表示：“我们所取得的成果，为后续研究奠定了完美开端，未来这些研究有望应用于实践。”他指出，对于此类应用而言，首先需要一个具备高度量子纯度的系统，在该系统中，所有外部干扰都能被成功抑制，且运动能按预期方式得到控制。他补充道，目前这一目标已经实现。如此一来，便有可能探测到量子力学效应，对其进行测量，并将该系统应用于量子技术领域。
其潜在应用包括物理学基础研究领域，可设计实验来探究引力与量子力学之间的关系。此外，研发能够测量微小作用力的传感器也颇具可行性，这些作用力包括气体分子甚至基本粒子对传感器施加的作用力。这一成果在暗物质探寻领域将大有裨益。弗里默（Frimmer）表示：“如今，我们已拥有一个相对简单、经济高效且非常适合此用途的系统。”
医学影像与无全球定位系统导航
在遥远的未来，量子传感器或可应用于医学成像领域。人们期望它们能在测量设备主要只能捕捉到背景噪声的环境中，探测到微弱信号。另一项潜在应用是运动传感器，即便在没有与GPS卫星建立连接的情况下，也能助力车辆导航。
对于大多数此类应用而言，量子系统都需实现微型化。据苏黎世联邦理工学院的研究人员称，这在理论上是可行的。无论如何，他们已找到一种方法，无需耗时、高成本且高能耗的冷却过程，即可实现所需的可控量子态。
深入探索：室温量子突破令物理学家惊叹不已
参考文献：洛伦佐·达尼亚（Lorenzo Dania）、奥斯卡·施密特·克雷默（Oscar Schmitt Kremer）、约翰内斯·皮奥特罗夫斯基（Johannes Piotrowski）、达维德·坎多利（Davide Candoli）、贾亚德夫·维贾扬（Jayadev Vijayan）、奥里奥尔·罗梅罗-伊萨特（Oriol Romero-Isart）、卡洛斯·冈萨雷斯-巴列斯特罗（Carlos Gonzalez-Ballestero）、卢卡斯·诺沃特尼（Lukas Novotny）和马丁·弗里默（Martin Frimmer）所著《室温下高纯度量子光力学》，2025年8月6日发表于《自然·物理学》。 DOI：10.1038/s41567-025-02976-9
苏黎世联邦理工学院的研究人员与维也纳工业大学、曼彻斯特大学以及巴塞罗那光子科学研究所的同仁们共同完成了这项工作。
