量子漲落成功成像

量子技術是一個不斷發展的物理和工程領域，它利用量子力學的特性作為量子計算、感測器、信息、通信和醫學等高級實際應用的基礎。這有望帶來一個全新的不同的新技術時代。計算機將更加強大，醫療將不可侵入並且比現在更安全，甚至可以設想遠程傳送。這一發展的核心現象是量子相變。

量子漲落是什麼？

在量子力學中，量子漲落是在空間任意位置對於能量的暫時變化。從維爾納·海森堡的不確定性原理可以推導出這結論。根據這原理的一種表述，能量的不確定性△E 與能量改變所需的時間△t ，兩者之間的關係式為：

其中h是約化普朗克常數。

這意味著能量守恆定律好像被違反了，但是僅持續很短的時間。因此，在空間生成了由粒子和反粒子組成的虛粒子對。粒子對借取能量而生成，又在短時間內湮滅歸還能量。這些產生的虛粒子的物理效應是可以被測量的，例如，電子的有效電荷與裸電荷不同。從量子電動力學的蘭姆位移與卡西米爾效應，可以觀測到這效應。

量子漲落對於宇宙大尺度結構的起源非常重要，可以解釋宇宙為什麼會出現超星系團、纖維狀結構這一類結構的問題：根據宇宙暴脹理論，宇宙初期是均勻的，均勻宇宙存在的微小量子漲落在暴脹之後被放大到宇宙尺度，成為最早的星繫結構的種子。

量子漲落成功成像

相變存在於我們的日常生活中，從我們早晨咖啡的水煮沸到我們飲料中的冰塊融化。在固相、液相和氣相之間的這些相變中，我們可以直接看到轉變的某些方面。我們在另一相中看到這一相的氣泡——例如沸水中的空氣泡或冰淤中的水滴。為了看到這些相變，我們只需要我們的眼睛即可。我們都熟悉的這些「經典」相變具有共同的特徵，即它們的驅動力是溫度。冰在0攝氏度下融化並在100攝氏度下蒸發。如果我們可以不用在水壺裡加熱水來泡一杯茶，而是將一杯冷水放在靠近磁鐵的地方將之煮沸，這有多麼酷！在我們的世界中，這是不可能的，但在量子世界中它是可以實現的。

科學界最近對不同類型的相變(「量子相變」)越來越感興趣，這些相變發生在絕對零溫度(零下273度)。這些轉變不是由溫度驅動，而是通過改變不同的物理特性來驅動，例如機械壓力或磁場。與經典相變類似，量子相變也伴隨著一相的「氣泡」存在於另一相中。這些氣泡的科學術語是量子漲落(Quantum fluctuations)。與經典情況不同，溫度的變化是氣泡的原因，在量子情況下，氣泡是由於不確定性原理而產生的，這是量子物理學中的基本規則之一。這個原則，由德國物理學家Werner Heisenberg開發，指出與我們的直覺相反，真空不是空的，而是包含空間中某個點的能量的臨時變化。即使在絕對零溫度下，這些變化也會導致一相的量子氣泡進入第二相。

到目前為止，還無法拍攝這些量子漲落。它們在非常低的溫度下發生，並且多次涉及物理相，這是常規顯微鏡無法看到的。儘管在許多測量中出現了它們存在的間接證據，但沒有人真正看到它們。但由以色列Bar-Ilan大學物理系和納米技術研究所的Beena Kalisky教授和Aviad Frydman教授領導的國際小組首次成功地成像量子漲落。在他們今天發表在《自然物理學》雜誌的文章中，不僅可以看到量子漲落，而且還展示了關於量子事件的大小、時間和分布的新信息。

研究人員採用了一種獨特的顯微鏡，可以在非常低的溫度下操作，以檢查經歷量子相變的材料。這種稱為掃描SQUID(超導量子干涉裝置)的顯微鏡可以檢測非常小的磁信號，並以亞微米解析度繪製其位置圖。顯微鏡使用量子現象將磁信號轉換為電壓，是研究納米級複雜現象的理想工具。

該實驗由研究生Anna Kremen進行，他使用敏感的磁測量來識別材料中的不同相。在非常低的溫度下——接近絕對零度，樣品被推向預期量子行為的區域，而掃描SQUID顯微鏡用於拍照。值得注意的是，量子氣泡出現在隨機位置。他們隨著時間的推移時隱時現，或偶爾出現在不同的地方。我們已經習慣了沸水中氣泡的這種行為，但現在在量子物質中也可以看到類似的氣泡。

該實驗為量子事件的詳細研究打開了一扇大門。圖像允許提取物理量，例如大小、動態、分布以及與其他現象的相互作用。這種觀察量子漲落的新能力有望成為量子技術未來發展的基本工具。

該研究得到了歐洲研究理事會，以色列科學基金會和美國-以色列雙重科學基金會的資助。

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