惊人突破!科学家在表面首次达到终极量子极限

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据ScienceDaily于2026年10月19日报道,德国马普光学研究所(MPL)的科学家在量子物理领域取得突破性进展,首次证明附着在晶体表面的单个分子能够达到其光学相干性的终极量子极限——傅里叶极限。这一成果发表在权威期刊《Science》上,为量子计算、量子通信等下一代技术开辟了全新路径。

表面:量子物理研究的长期障碍

许多新兴量子技术依赖于与光相互作用的微小物体,如单个原子和分子,称为量子发射器。它们能产生单光子、存储量子信息并建立远距离连接。要研究单个量子发射器,必须将其稳定限制在一个位置。传统方法包括真空俘获或嵌入固体。然而,将发射器直接放在表面具有独特优势:可用极尖探针“触碰”分子,例如扫描隧道显微镜(STM)和原子力显微镜(AFM)已能以原子级精度探测物质。问题是表面常受环境污染物干扰,破坏分子脆弱的量子行为。

巧妙的晶体升华清洁法

MPL纳米光学部门由Vahid Sandoghdar教授领导,他们开发出一种利用有机晶体自然升华特性的清洁方法。在室温下,晶体材料通过升华——固体直接变为气体——逐渐蒸发。研究者将小晶体放入低温恒温器(真空低温腔),上层慢慢蒸发,带走污染物,留下超净表面。随后将晶体冷却至接近绝对零度(约几开尔文),停止升华,维持洁净。最后,用特制微型烤箱将分子蒸发到冷晶体上,使其附着。这一方法首次提供了足够干净的表面,使量子发射器得以稳定存在。

分子达到终极量子极限

在此稳定环境中,研究者检验分子是否保留脆弱的量子性质。Dr. Alexey Shkarin解释说:“量子发射器的质量可通过相干时间评估,即它们保持‘量子性’的时长。”相干时间决定量子系统维持所需性质的时间。存在一个物理极限——傅里叶极限,由发射器向环境释放能量所需时间决定。在噪声环境中,相干时间可能比理论极限快数百甚至数千倍消失。团队发现,沉积在超净表面的分子一致达到傅里叶极限,证明环境足够安静稳定,使分子量子相干持续物理允许的最大时长。这是首次在表面吸附分子上实现该极限。

表面诱导的新物理现象

该突破还允许团队研究晶体表面对分子的影响。实验显示,表面相互作用使分子沿特定方向对齐并改变其能级。研究还暗示表面可能影响分子形状或振动方式。这些效应为物质在分子尺度的行为提供线索,同时提供控制量子系统的新途径。例如,通过调节表面性质,可能定向排列分子或调制其量子态。

未来方向:纳米级精准控制

团队计划将超净表面技术与AFM和STM结合,实现单个量子发射器的局部控制。Vahid Sandoghdar说:“我们未来的工作将专注于将此方法与AFM和STM结合,以获得单个量子发射器的局部纳米控制。”通过结合,他们希望在十亿分之一米(纳米)精度上操控,揭示分子-表面相互作用的细节,并工程化新的量子物态。该成果发表在《Science》2026年392卷6805期1384页,DOI:10.1126/science.aeg5014。

Q1: 为什么表面上的分子难以保持量子相干?

A1: 表面容易吸附环境污染物,产生噪声干扰,导致分子相干时间急剧缩短。新方法通过晶体升华清除杂质,并在接近绝对零度的低温下保持表面清洁,从而让分子达到傅里叶极限。

Q2: 这一突破对量子技术有什么意义?

A2: 它为在表面上精确控制单个分子量子发射器提供了平台。结合扫描探针显微镜,可实现纳米级操控,推动量子计算、量子通信和量子传感等技术的发展。

这一突破攻克了量子研究中“表面障碍”这一长期难题,首次在表面达到量子极限。未来结合显微镜技术,将能按需制造和操控分子级量子系统,为量子科技翻开新篇章。

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德国马普研究所首次证明表面分子能达到量子相干极限——傅里叶极限,克服表面障碍,为量子计算和通信带来新可能。结合显微镜技术可实现纳米级控制。