传统上，我们通过物体的机械运动来测量力。我们需要测定物体在施加力的过程中初末状态的空间坐标，用以标定加速度。研究表明，该测量方法因“海森堡不确定性原理”的制约，测量精度无法突破一个标准量子极限。为此，国际上的科研团队经过长期的努力，在不同的实验体系中进行摸索，改进了力的测量技术，大幅度提升了力的测量灵敏度。在多种不同的实验体系中将技术细节发挥到极致，用以提升力的测量灵敏度。近期发展的单离子对静电场力的感知技术达到了1E-19 N/Hz的测量灵敏度。
图1 实验通过三角光晶格中原子形成量子物质波，完成了对二维电磁力高灵敏的量子测量
北京大学和复旦大学的联合研发团队，长期致力于冷原子量子系统的研究，发展了多项对光晶格中冷原子外态控制的原创技术，可以对数十万原子形成的量子物质波进行高精度的量子调控。实验采用基于光晶格技术将物质波的实空间运动和动量空间运动分离的方法，完成了对量子物质波波矢的控制和测量（如图1所示）。同时，物质波在光晶格中的布拉格散射给出了标定物质波波矢大小和方向的精确二维坐标。这种量子测量技术可以直接精确地测量出物质波在力作用下的波矢积累，而不需要测量原子的空间位置变化。该技术通过量子物质波建立了力和普朗克常数之间的直接联系，我们无需对原子质量、原子数、原子磁矩等物理量进行标定，也就不会受到这些物理量的测量不确定度的影响。实验中量子物质波对力的感知灵敏度达到2E-26N/Hz，突破了上述标准量子极限近一个数量级。团队进行了数千次的量子物质波重复实验，完成了对一个极微弱力的测量，大规模数据的统计分析表明测量精度达到2E-28N，这个力相当于毫米尺度下原子间范德瓦尔斯力的作用强度。
杂志封面
该项成果于2022年11月发表于Science Bulletin，并被选为杂志封面文章。北京大学电子学院的博士研究生郭新新和俞钟承为共同第一作者，复旦大学的李晓鹏教授，北京大学物理学院量子材料科学中心的张熙博研究员和电子学院的周小计教授为共同通讯作者。
此项研究受到国家自然科学基金委、科技部、上海市科委、空间总体部的支持。
