量子收音機要來了！收聽量子力學的電台

代爾夫特理工大學研究人員發明了一種量子電路，可以收聽量子力學允許的最弱無線電信號。這種新量子電路為將來可能在射電天文學和醫學(MRI)等領域的應用打開了大門。它也使實驗能夠闡明量子力學和重力之間的相互作用，研究結果發表在《科學》期刊上。對於微弱的無線電信號，通常的解決方案是找到一個更大的信號，例如，選擇一個不同的電台或移動到房間的另一邊。但是，如果我們能更仔細地聽呢？

博科園-科學科普：微弱的無線電信號不僅對那些想要找到自己最喜歡電台的人是一個挑戰，而且對醫院裡的磁共振成像掃描儀，以及科學家用來窺視太空的望遠鏡也是一個挑戰。在射頻探測領域的一次量子飛躍中，代爾夫特的加里?斯蒂爾教授(Gary Steele)團隊的研究人員展示了對光子或能量量子的探測，這是量子力學理論所允許的最弱信號。量子力學中一個奇怪的預言是，能量以被稱為量子的小塊形式存在。

這種量子晶元(1x1cm)可以讓研究人員聽到量子力學允許的最小無線電信號。圖片：TU Delft

這是什麼意思？首席研究員馬里奧·蓋伊說：比如我推著一個孩子盪鞦韆，在經典的物理理論中，如果我想讓孩子跑得更快一點，我可以給他們一個小推力，讓他們跑得更快，更有能量。量子力學說的是另一回事：我一次只能讓孩子的能量增加一個「量子步驟」，把這個數字減少一半是不可能的。對於一個鞦韆上的孩子來說，這些量子步驟是如此之小，以至於他們太小而無法注意到。直到最近，無線電波也是如此。然而，代爾夫特的研究團隊開發了一種電路，可以在射頻信號中探測到這些能量塊，為在量子級別上探測無線電波開闢了可能性。

電子顯微鏡下的量子電路圖片由研究人員建立，這幅畫的寬度只相當於三分之一毫米。圖片：TU Delft

除了在量子感測方面的應用，代爾夫特的研究小組還對將量子力學提升到下一個層次：質量。雖然量子電磁學理論是在近100年前發展起來，但物理學家們至今仍對如何將引力納入量子力學感到困惑。利用量子無線電，我們想嘗試去聆聽和控制重物體的量子振動，並通過實驗探索，當把量子力學和引力混合起來時會發生什麼，這樣的實驗很難，但如果成功，將能夠測試時空本身的量子疊加，這是一個新概念，將測試我們對量子力學和廣義相對論的理解。

這種量子晶元(1x1cm)可以讓研究人員聽到量子力學允許的最小無線電信號。圖片：TU Delft

博科園-科學科普｜研究/來自: 代爾夫特理工大學

參考期刊文獻:《科學》

DOI: 10.1126/science.aaw3101

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