用宏觀物質波干涉提升測量精度

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為什麼要研究光力學，製備近宏觀系統的量子疊加態，乃至觀測其物質波干涉？從步入光力學研究領域的一開始，我就一直在問自己這個問題。最開始，我從文獻中找到的答案是，為了探索量子與經典的邊界，驗證最基本的量子原理，比如說探索宏觀量子疊加態的尺度邊界到底是多大，引力效應是否會影響宏觀量子疊加態的退相干，等等。

經過這些年深入的研究，我們在宏觀系統量子疊加態製備，以及物質波干涉的理論方案上面也做了深入的探索，同時也一直在關注國內外同行們在此領域上的研究工作。現在看來，在基於光力學，特別是光懸浮納米粒子光力學的系統中，如何製備宏觀量子疊加態，觀測其物質波干涉，以及利用這個疊加態和物質波干涉效應來研究基礎物理，已經有了長足的發展。最新的一個重要進展是，把兩個處於位置疊加態的納米粒子靠近，利用引力場製備其位置的量子糾纏態，進而研究量子力學與引力相互結合的效應。

另外一方面，我們注意到波的干涉也可以用來做非常精密的測量。激光發明後，人們就發現其干涉可以用於測量轉動等運動信息。經過幾十年的發展，光學干涉儀已經廣泛的應用於陀螺儀、加速度計等。後來，隨著原子的激光捕獲、冷卻等技術的成熟，原子干涉儀也被用來測量重力加速度，是目前最為精準的重力儀。從光到原子，由於質量的增加，干涉條紋變得更加細密，測量精度大幅度增加。基於冷原子的重力儀，已經可以測出重力導致的紅移。所以，進一步往下推，如果我們能夠做出大質量物體的宏觀量子疊加和量子干涉，有望做出遠超原子干涉儀測量精度的重力儀。

2013年，基於光懸浮納米金剛石色心，我們提出利用梯度磁場來耦合色心與金剛石的質心自由度，進而製備金剛石質心的位置疊加態，實現質心波函數的物質波干涉。不久，英國的一個研究組也研究了類似的系統，提出用此系統的物質波Ramsey干涉來看物質波的干涉。不僅如此，他們注意到，此宏觀疊加態的相位與重力加速度有關係。這之後，相關的實驗進展如火如荼。

最近，在這些理論的啟發下，我們提出用納米機械振子的物質波的Ramsey干涉，來測量重力加速度。由於納米金剛石中包含有超過 個原子，因此干涉儀的物質波波長遠遠小於冷原子干涉儀，可以更加精準測出重力導致的相位移動。此方案對熱雜訊不敏感，可以在遠高於量子區域的溫度下實現。考慮系統誤差，以及各種雜訊源之後，我們估算最終的重力加速度測量精度，有望比冷原子干涉重力儀的精度再提升一個量級，相對精度達到 。不僅如此，由於此系統是全固態晶元上的，所以比冷原子系統更容易集成，易於移動。

所以，現在要是你問我為什麼要製備宏觀物體的疊加態？我會回答說，為了利用宏觀物質波干涉，製備出更加精確的儀器來測量重力加速度。

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