《自然》重磅：剑桥发现量子相干性传播的“绝对速度极限”

2025年11月，剑桥大学卡文迪许实验室的研究团队在《自然》杂志上发表了一篇具有里程碑意义的论文，题目为 《A universal speed limit for spreading of coherence》（量子相干性传播的普适速度极限）。由 Zoran Hadzibabic 教授领导的团队发现了一个基本的物理约束，限制了量子系统建立长程有序的速度。

1. 背景：打破信息传播的“音障”

在宏观世界中，我们对速度限制并不陌生，最著名的是光速 (c)。在量子世界中，存在一个类似的概念，即 利布-罗宾逊界限（Lieb-Robinson bound），它规定了信号在相互作用的粒子阵列中传播的最快速度。

然而，剑桥大学的这项研究聚焦于一个更具体且难以捕捉的现象：相干性。相干性是量子力学的“粘合剂”，它让粒子能够像一个同步的波一样行动，而不是分散的个体。当一个系统从混乱状态转变为有序状态时（例如形成玻色-爱因斯坦凝聚态），相干性必须传遍整个系统。问题在于：这种同步过程最快能有多快？

2. 实验设计：构建“量子盒子”

为了观察这一过程，研究人员使用了冷却至接近绝对零度的钾原子云。实验的关键创新在于使用了光学盒式势阱（Optical box trap）。

• 势阱：与传统的将原子挤压在中心的势阱不同，盒式势阱创造了一个均匀、各向同性的环境。这使得科学家可以研究相干性在不受密度变化干扰的情况下是如何传播的。
• 过程：他们将原子“搅《自然》重磅：剑桥发现量子相干性传播的“绝对速度极限”动”到高能且不相干的状态，然后观察它们如何平复。随着原子相互撞击，它们开始“同步”，最终形成凝聚态。
• 变量：通过利用磁场调节散射长度 (a)，研究人员可以改变原子之间相互作用的强度。

3. 核心发现：普适常数

研究人员原本预期，相互作用越强，相干性传播得就越快。在短距离内确实如此，但他们随后发现了一个“硬天花板”。

无论如何增加相互作用强度，相干性的传播速度最终都会达到一个上限。这个极限由一个极其简单的公式定义，仅涉及约化普朗克常数 (ħ) 和 粒子质量 (m)：D≈3.4ħ/m。

在这个方程中，D代表相干长度平方随时间增长的速率。由于这个值只取决于自然常数ħ和质量m，因此它被认为是普适的。这表明，“量子化”的速度是硬性刻在物理定律中的，与具体的相互作用力无关。

4. 意义所在：从中子到早期宇宙

这一速度极限的影响非常广泛，跨越了宇宙的不同尺度：

A. 量子计算

量子计算机的运作依赖于多个量子比特之间的相互相干。如果相干性的传播存在基本限制，这就为大规模量子处理器的初始化或同步设定了一个物理上的“时钟频率”上限。

B. 宇宙尺度

论文指出，这个速度极限其实慢得令人惊讶。例如，如果你有一池子大小的钾原子云，相干性从一端传到另一端需要几个世纪。在宇宙尺度上，如果粒子像中子一样轻，相干性跨越大西洋所需的时间甚至比宇宙的年龄还要长。这解释了为什么宏观尺度的量子效应在自然界中极难维持。

C. 早期宇宙

“粗粒化”（即秩序的增长）动力学被认为与早期宇宙的 再加热（Reheating） 阶段非常相似。这一普适极限为描述宇宙如何从高温混沌转变为今天看到的有序结构的理论提供了一个基准参考。

5. 结论

《量子相干性传播的普适速度极限》这篇论文是非平衡态物理学领域迈出的重要一步。它证明了即使我们将系统推向最极端的极限，大自然也会对同步速率施加一个“调节器”。

通过发现该极限与ħ/m的比例关系（这与定义量子涡旋环流的比例相同），这项研究暗示了流体运动与量子秩序诞生之间存在某种更深层的、隐藏的联系。