《自然》重磅：劍橋發現量子相干性傳播的“絕對速度極限”

2025年11月，劍橋大學卡文迪許實驗室的研究團隊在《自然》雜志上發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 教授領導的團隊發現了一個基本的物理約束，限制了量子系統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，劍橋大學的這項研究聚焦于一個更具體且難以捕捉的現象：相干性。相干性是量子力學的“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。當一個系統從混亂狀態轉變為有序狀態時（例如形成玻色-愛因斯坦凝聚態），相干性必須傳遍整個系統。問題在于：這種同步過程最快能有多快？

2. 實驗設計：構建“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。實驗的關鍵創新在于使用了光學盒式勢阱（Optical box trap）。

• 勢阱：與傳統的將原子擠壓在中心的勢阱不同，盒式勢阱創造了一個均勻、各向同性的環境。這使得科學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：劍橋發現量子相干性傳播的“絕對速度極限”動”到高能且不相干的狀態，然后觀察它們如何平復。隨著原子相互撞擊，它們開始“同步”，最終形成凝聚態。
• 變量：通過利用磁場調節散射長度 (a)，研究人員可以改變原子之間相互作用的強度。

3. 核心發現：普適常數

研究人員原本預期，相互作用越強，相干性傳播得就越快。在短距離內確實如此，但他們隨后發現了一個“硬天花板”。

無論如何增加相互作用強度，相干性的傳播速度最終都會達到一個上限。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 (?) 和 粒子質量 (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?和質量m，因此它被認為是普適的。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。

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. 量子計算

量子計算機的運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，這就為大規模量子處理器的初始化或同步設定了一個物理上的“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。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在自然界中極難維持。

C. 早期宇宙

“粗粒化”（即秩序的增長）動力學被認為與早期宇宙的 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變為今天看到的有序結構的理論提供了一個基準參考。

5. 結論

《量子相干性傳播的普適速度極限》這篇論文是非平衡態物理學領域邁出的重要一步。它證明了即使我們將系統推向最極端的極限，大自然也會對同步速率施加一個“調節器”。

通過發現該極限與?/m的比例關系（這與定義量子渦旋環流的比例相同），這項研究暗示了流體運動與量子秩序誕生之間存在某種更深層的、隱藏的聯系。