在《科学》杂志上,罕见地同时刊登了三篇关于宏观纠缠的观察与测量的重磅文章。先简要介绍这三篇文章说的是什么,然后说说这些论文成果体现了什么样的重要意义。
第一篇文章,题为:“宏观纠缠与测量”,是专门为下面的两篇研究论文成果的郑重推荐与评论文章,强调在宏观尺度上直接观察和测量到了量子纠缠及其重要意义。
第二篇的论文,题为:“直接观察确定性宏观纠缠”,研究人员报道说,通过机电脉冲,确定地纠缠了两个质量为70皮克的机械鼓面,宏观上直接地观察到了确定性的纠缠现象。
第三篇的论文,题为:“带有机械振荡器的无量子力学的子系统”,研究人员报道说,使用两个微机械振荡器实现了这种无量子力学的子系统,直接验证了两个宏观振荡器的量子纠缠。
与此同时,《自然》杂志专门为上面《科学》杂志上的两篇重磅论文,也罕有地同时郑重发表了推荐与评论的专题文章:
所具有的重要意义
量子力学的观察历来仅限于微观量子尺度,但是从理论上讲,量子力学也适用于所有大小的物体。量子力学控制着自然界的微观粒子和宏观物体,但是对于宏观物体,这种量子力学的作用被掩盖了。这两项研究证明了宏观机械振荡中的量子纠缠,超越了量子力学所施加的常规限制,宏观的实验也可以揭示宏观物体的“纯粹量子力学现象”,如研究人员所言:“量子纠缠变大了”。
当两个独立的实体以经典物理学无法解释的方式牢固地联系在一起时,就会发生量子纠缠。量子纠缠是开发量子计算、通信等先进技术中的强大资源。迄今为止,纠缠通常局限于微观量子单元,例如成对的单离子、原子、光子等。在宏观物体中,纠缠等量子效应非常脆弱,并且容易受到周围环境的干扰而被破坏。因此,实验常常是在接近绝对零度的非常低的温度下进行的。
这两个团队的研究成果,证明了将量子态的测量范围扩展到宏观与常温的能力,可能对量子计算和基础物理学的增强测量具有更广泛的意义。宏观长度和质量规模的纠缠有望在工程应用和基础物理学中得到广泛应用,以探究经典世界和量子世界之间的边界。
这两个实验的了不起的进步是,物理学家展示了一种绕开量子力学不确定性原理的方法,不确定性原理由海森堡于1920年代后期提出,它是量子力学的基本概念,是20世纪物理学的主要发现之一。
在量子世界中,量子对象既像粒子又像波。结果,不确定性原理指出,不可能同时完全知道物体的位置和动量。每个测量结果的不精确度的相乘,必须大于普朗克常数的一半。测量一个将始终产生干扰,该干扰会对另一个产生不确定性。从我们通常的角度来看,这种影响微不足道。另一方面,当处理质量非常小的物体,尤其是亚原子粒子时,对我们了解自然的能力构成了重大限制。
但是,这两个实验证明,当两个物体通过称为量子纠缠的现象相互链接时,可以避免海森堡不确定性原理原理。尽管没有经典的连接方式,但所观察到的宏观物体却纠缠在一起,改变一个会影响另一个,其中一个物体以相反的方式对另一物体的作用力作出反应。
现在研究人员能够同时测量这两个纠缠体的位置和动量,根据海森堡不确定性原理,这是不可能的。研究人员规避了不确定性原理而使他们能够表征驱动纠缠体的极弱作用力。研究人员称:“这揭示了不确定性原理中的漏洞”。
数十年来,量子纠缠已被证明具有数个原子或更小原子的物体,但事实证明,它难以扩大规模。以前曾在宏观尺度上声称存在量子纠缠,但都依赖于理论推论令人怀疑。现在科学家能够更直接地测量纠缠。重要的是,实验还证明了这样的系统中不存在所谓的“量子后向作用”。
量子后向作用,英文:quantum backaction,譬如测量一个纠缠体的位置并不会破坏我们对整个系统动力的了解,是指在量子系统中检测器对测量本身的影响,就好像检测器不仅在进行测量,而且还在扰动作用下影响被测或观测到的系统。这种后向作用(backaction)会对测量过程产生重要影响,并且是接近量子极限的测量,例如接近标准量子极限(Standard Quantum Limit,缩写SQL)的测量的重要因素。量子后向作用是最近量子科学领域中的一个关注热点。近年来,在使用纳米机械系统的实验中,回避了进行测量的后向作用。
这两项实验的发现可以帮助关于量子后向作用的研究,可以帮助构建出前所未有的灵敏度的测量设备,对于诸如量子计算之类的应用至关重要,量子计算机可以以振动形式对信息进行编码。亚马逊最近宣布,它正在研究使用振动晶体编码和处理量子信息的可能性。
量子纠缠及其物理有多“诡异”?答案可能无法估量。如研究人员所称:他们是在“使用量子力学来破解量子力学”。
这两个实验提出了这样一个基本而重要的问题:宏观世界中是否存在量子?这样的宏观领域实验可以将量子“怪异”的极限、及其量子纠缠的观察与测量,推进到何种程度?
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