Physics World 2021年度突破奖：宏观物体之间的量子纠缠

PHYSICS WORLD 2021年度突破奖授予了两个独立的团队，他们让两个宏观振动的机械鼓纠缠在一起，从而推进了我们对量子和经典系统之间界限的理解。获奖者是MIKA SILLANP 和他在芬兰阿尔托大学和澳大利亚新南威尔士大学的同事，以及美国国家标准与技术研究院(NIST)的JOHN TEUFEL和SHLOMI KOTLER领导的团队。

NIST的研究人员将这两个机械鼓的节拍纠缠在一起——机械鼓是由大约1万亿个原子组成的微小铝膜——并精确地测量了它们相关的量子特性。像这样的纠缠对(如这张彩色的显微图所示)，按量子标准来说是巨大的，将来可能在大规模的量子网络中执行计算和传输数据。图片来源：J. TEUFEL/NIST

量子技术在过去二十年中取得了长足的进步，物理学家现在能够构建和操纵曾经处于思想实验领域的系统。一个特别引人入胜的研究途径是量子物理学和经典物理学之间的模糊边界。过去，可以根据大小进行清晰的划分：光子和电子等微小物体存在于量子世界，而台球等大型物体则遵循经典物理学。

在过去的十年中，物理学家一直在使用直径约为10微米的鼓状机械谐振器来突破量子的极限。与电子或光子不同，这些机械鼓是使用标准微加工技术制造的宏观物体，在电子显微镜图像中看起来像台球一样坚固(见上图)。然而，尽管谐振器具有有形的性质，但研究人员已经能够观察到它们的量子特性，例如，TEUFEL及其同事在2017年将一个设备置于量子基态。

今年，由TEUFEL和KOTLER领导的团队以及SILLANP 的独立团队更进一步，成为第一个在用量子力学纠缠两个这样的鼓的团队。这两个团队以不同的方式产生了纠缠。芬兰/澳大利亚团队使用特别选择的谐振频率来消除系统中可能干扰纠缠状态的噪声，而NIST团队的纠缠类似于一个双量子比特门，其中纠缠态的形式取决于鼓的初始状态。

两个团队都克服了重大的实验挑战，他们的巨大努力可以为纠缠谐振器用作量子传感器或量子网络中的节点打开大门。因此，这项工作当之无愧地成为自2015年以来第一个与量子相关的年度突破。

今年，该网站公布了近600项最新研究成果，五位PHYSICS WORLD编辑从中选出了今年的年度突破和九位亚军。除了在2021年被PHYSICS WORLD报道之外，还必须满足以下标准：

● 工作对科学进步和/或实际应用开发的重要性

在2021年的十大突破中，其他九项成就也受到了高度赞扬。

加州大学旧金山分校的EDWARD CHANG、DAVID MOSES、SEAN METZGER、JESSIE LIU及其同事开发了一种语音神经假体，通过将大脑信号直接翻译成屏幕上的文字，使严重瘫痪的人能够用句子交流。为了实现这一目标，研究团队使用植入参与者大脑表面的高密度电极阵列来记录参与语音形成的多个皮质区域的电活动。基于系统可以从记录的皮质活动中的模式中识别出的50个单词的词汇，他能够产生数百个短句。这项技术显示出令人鼓舞的每分钟15.2个单词的中值解码率——大约是他通常用于交流的基于计算机的打字界面的三倍。

一个神经假体记录了参与者在试图遣词造句时的大脑皮层活动。图片来源：TODD DUBNICOFF，UCSF

德国维尔茨堡大学的SEBASTIAN KLEMBT、以色列理工学院的MORDECHAI SEGEV及其同事创建了一个由30个垂直腔面发射激光器(VCSEL)组成的阵列，这些激光器充当单个相干光源，为大规模、高功率应用铺平了道路。该团队利用拓扑光子学原理来确保阵列中每个激光器的光都经过所有其他激光器，迫使它们以相同的频率发射。新设计克服了SEGEV和合作者在2018年制造的前一代设备的功率限制，原则上可以扩大到包含数百个单独的激光器。

美国加州国家点火装置(NIF)的OMAR HURRICANE、ANNIE KRITCHER、ALEX ZYLSTRA和DEBBIE CALLAHAN及其同事向实现“点火”的最终目标迈进了一步。自从NIF在十多年前开启以来，它的长期目标是证明它可以实现点火——聚变反应产生的能量至少与其激光器投入的能量一样多。这包括自持反应，其中在聚变过程中发射的Α粒子也会释放热量，引发进一步聚变。NIF由劳伦斯利弗莫尔国家实验室运营，将192个脉冲激光束射向一个厘米长的空心金属圆柱体的内表面，称为黑体辐射空腔(HOHLRAUM)。里面是一个燃料胶囊，它是一个直径约2毫米的空心球体，含有一个薄的氘氚层。2009年至2012年的实验远远没有达到点火，因此研究人员继续进行改进。今年8月8日，研究人员获得了超过1.3 MJ的能量产出，大约是激光脉冲传递到样品的能量的70%，这一结果令人惊叹。尽管仍达不到收支平衡，但这一数字远远超过了先前的0.1 MJ左右的指标，一些专家将这一结果描述为自1972年开始惯性聚变以来最显著的进步。一些专家将这一结果描述为自1972年以来惯性聚变最重大的进展。

耗资35亿美元的美国国家点火装置(NIF)的科学家向实现“点火”的最终目标迈进了一步——聚变反应产生的能量至少与激光系统提供的能量相同。图片来源：NIF

欧洲核子研究中心(CERN)反氢激光物理装置(ALPHA)和重子反重子对称实验(BASE)的研究人员合作进行了两项独立研究，提出冷却粒子和反粒子的新方法。这些技术可以为精确研究宇宙中的物质-反物质不对称性铺平道路。ALPHA合作首次展示了反氢原子的激光冷却。为了实现这一目标，物理学家开发了一种新型激光器，它产生121.6NM的激光脉冲，以冷却反原子。然后，他们以前所未有的精度测量了反氢中的关键电子跃迁，这一突破可能导致对反物质其他关键性质的测试得到改善。与此同时，BASE的研究人员展示了如何通过连接到几厘米外的激光冷却离子云的超导电路从单个质子中提取热量。他们说，这种技术可以很容易地应用于反质子。

事件视界望远镜合作（EHT）用于创建第一张图像，显示超大质量黑洞周围区域的光偏振。极化揭示了在物质加速进入M87*的区域中存在强磁场，M87*是一个质量超过太阳质量六十亿倍的黑洞。对这种极化的进一步研究可以为一些黑洞如何产生巨大的喷流，将物质和辐射喷射到周围的空间提供重要的见解。2019年，EHT通过捕获黑洞阴影的第一张图像创造了历史，并且该合作因此获得了2019年物理世界年度突破奖。

德国海德堡马克斯·普朗克核物理研究所、德国电子同步加速器和法国欧洲同步加速器设施的J RG EVERS及其同事率先实现了核激发的相干量子控制。该团队使用同步加速器发出的X射线，通过两个超短脉冲传送到原子核。通过调整脉冲的相位，研究团队可以在相干增强激发和相干增强发射之间切换铁原子核。除了提供对量子物质的更好理解外，这项工作还可以加速新技术的发展，如超精密核钟和能够储存大量能量的电池。

美国JILA的CHRISTIAN SANNER及其同事；奥塔哥大学的AMITA DEB和NIELS KJ RGAARD；以及美国麻省理工学院的WOLFGANG KETTERLE及其同事，他们独立观察了费米子原子超冷气体中的泡利阻塞。泡利阻塞发生在这样的气体中：因为组成原子几乎填满了所有可用的低能量子态，这阻止了原子向相邻态进行小的跃迁。这影响了光从气体中的原子散射的方式，所有三个团队都观察到泡利阻塞增加了气体在冷却时的透明度。这种效应有朝一日可以用来改进基于超冷原子的技术，如光学时钟和量子中继器。

缪子反常磁矩实验(MUON G-2实验)提供了进一步的证据，证明缪子磁矩的测量值与理论预测不一致。一个国际团队在美国费米实验室的存储环中循环了一束磁极化缪子。缪子的磁矩被磁场旋转，旋转速率给出了缪子磁矩的大小。理论和实验之间的差异是二十年前在布鲁克海文国家实验室首次发现的。现在，费米实验室/布鲁克海文的综合结果显示，实验和理论之间的差异为4.2Σ，小于发现所需的5Σ。如果这种差异经得起未来实验的考验，那么它可能指向标准模型之外的新物理学。

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