2025年11月，劍橋大學(xué)卡文迪許實(shí)驗(yàn)室的研究團(tuán)隊(duì)在《自然》雜志上發(fā)表了一篇具有里程碑意義的論文，題目為 《A universal speed limit for spreading of coherence》（量子相干性傳播的普適速度極限）。由 Zoran Hadzibabic 教授領(lǐng)導(dǎo)的團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)了一個基本的物理約束，限制了量子系統(tǒng)建立長程有序的速度。

1. 背景：打破信息傳播的“音障”

在宏觀世界中，我們對速度限制并不陌生，最著名的是光速 (c)。在量子世界中，存在一個類似的概念，即 利布-羅賓遜界限（Lieb-Robinson bound），它規(guī)定了信號在相互作用的粒子陣列中傳播的最快速度。

然而，劍橋大學(xué)的這項(xiàng)研究聚焦于一個更具體且難以捕捉的現(xiàn)象：相干性。相干性是量子力學(xué)的“粘合劑”，它讓粒子能夠像一個同步的波一樣行動，而不是分散的個體。當(dāng)一個系統(tǒng)從混亂狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)橛行驙顟B(tài)時（例如形成玻色-愛因斯坦凝聚態(tài)），相干性必須傳遍整個系統(tǒng)。問題在于：這種同步過程最快能有多快？

2. 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)：構(gòu)建“量子盒子”

為了觀察這一過程，研究人員使用了冷卻至接近絕對零度的鉀原子云。實(shí)驗(yàn)的關(guān)鍵創(chuàng)新在于使用了光學(xué)盒式勢阱（Optical box trap）。

• 勢阱：與傳統(tǒng)的將原子擠壓在中心的勢阱不同，盒式勢阱創(chuàng)造了一個均勻、各向同性的環(huán)境。這使得科學(xué)家可以研究相干性在不受密度變化干擾的情況下是如何傳播的。
• 過程：他們將原子“攪《自然》重磅：劍橋發(fā)現(xiàn)量子相干性傳播的“絕對速度極限”動”到高能且不相干的狀態(tài)，然后觀察它們?nèi)绾纹綇?fù)。隨著原子相互撞擊，它們開始“同步”，最終形成凝聚態(tài)。
• 變量：通過利用磁場調(diào)節(jié)散射長度 (a)，研究人員可以改變原子之間相互作用的強(qiáng)度。

3. 核心發(fā)現(xiàn)：普適常數(shù)

研究人員原本預(yù)期，相互作用越強(qiáng)，相干性傳播得就越快。在短距離內(nèi)確實(shí)如此，但他們隨后發(fā)現(xiàn)了一個“硬天花板”。

無論如何增加相互作用強(qiáng)度，相干性的傳播速度最終都會達(dá)到一個上限。這個極限由一個極其簡單的公式定義，僅涉及約化普朗克常數(shù) (?) 和 粒子質(zhì)量 (m)：D≈3.4?/m。

在這個方程中，D代表相干長度平方隨時間增長的速率。由于這個值只取決于自然常數(shù)?和質(zhì)量m，因此它被認(rèn)為是普適的。這表明，“量子化”的速度是硬性刻在物理定律中的，與具體的相互作用力無關(guān)。

4. 意義所在：從中子到早期宇宙

這一速度極限的影響非常廣泛，跨越了宇宙的不同尺度：

A. 量子計(jì)算

量子計(jì)算機(jī)的運(yùn)作依賴于多個量子比特之間的相互相干。如果相干性的傳播存在基本限制，這就為大規(guī)模量子處理器的初始化或同步設(shè)定了一個物理上的“時鐘頻率”上限。

B. 宇宙尺度

論文指出，這個速度極限其實(shí)慢得令人驚訝。例如，如果你有一池子大小的鉀原子云，相干性從一端傳到另一端需要幾個世紀(jì)。在宇宙尺度上，如果粒子像中子一樣輕，相干性跨越大西洋所需的時間甚至比宇宙的年齡還要長。這解釋了為什么宏觀尺度的量子效應(yīng)在自然界中極難維持。

C. 早期宇宙

“粗?；保粗刃虻脑鲩L）動力學(xué)被認(rèn)為與早期宇宙的 再加熱（Reheating） 階段非常相似。這一普適極限為描述宇宙如何從高溫混沌轉(zhuǎn)變?yōu)榻裉炜吹降挠行蚪Y(jié)構(gòu)的理論提供了一個基準(zhǔn)參考。

5. 結(jié)論

《量子相干性傳播的普適速度極限》這篇論文是非平衡態(tài)物理學(xué)領(lǐng)域邁出的重要一步。它證明了即使我們將系統(tǒng)推向最極端的極限，大自然也會對同步速率施加一個“調(diào)節(jié)器”。

通過發(fā)現(xiàn)該極限與?/m的比例關(guān)系（這與定義量子渦旋環(huán)流的比例相同），這項(xiàng)研究暗示了流體運(yùn)動與量子秩序誕生之間存在某種更深層的、隱藏的聯(lián)系。