量子纠缠走向宏观:“测不准原理”被打破

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【大纪元2021年05月18日讯】(大纪元记者高文森编译报导)以前科学家只在微观世界中观测到量子纠缠现象——两个粒子隔空同步的神奇状态。最近,物理学家在宏观尺度上也观测到这种现象,并发现它打破了量子学上经典的不确定性原理(uncertainty principle,又译作测不准原理)。

这项研究使用两面只有10微米左右的小铝鼓,用微波光子使它们的鼓膜振动,保持它们的位置和速度处于同步状态。这样的尺度只有人类毛发直径的五分之一大小,对于人类眼睛能看到的世界来说,还是非常小,可是对于量子物理掌控的微观世界来说,已经是巨大的物体。

宏观尺度量子纠缠也遵循微观规律

处于量子纠缠状态下的粒子展现出一些用经典物理理论无法解释的特性,在很多领域有着重要的用途。科学家以前认为,如果发生在宏观世界,这种现象展现的物理特性可能和微观下并不相同。

这份研究发现情况并非如此。实际上,这份研究看到的大尺度量子纠缠现象也遵循和微观世界一样的量子规律。

以前也有研究报告过宏观量子纠缠现象,这份新研究有了很大进展:第一次能够对纠缠的物体进行测量,而不是推测得到估计值;并且很确定地产生了物体的纠缠状态,不存在随机的几率。

因为量子状态很容易受到外界因素的干扰,所以为了避免小鼓受到干扰,研究人员把它们冷却到零下273摄氏度左右的低温。两面小鼓的状态被编码写入一个类似雷达的反射微波场内,可以分别进行测量。

打破了量子测不准原理

这份研究最引起同行关注的地方在于,它绕开了德国物理学家维尔纳·海森堡(Werner Heisenberg)提出的不确定性原理。海森堡认为,在量子力学里,粒子的位置与动量不可能同时被测量,或者说对一方的测量会对另一方产生干扰,也叫做量子反作用(quantum back action)。

这份研究却避开了量子反作用,能够同时测量两面小鼓的位置和动能。

主要研究者之一芬兰阿尔托大学(Aalto University)的物理学家梅西埃(Laure Mercier de Lepinay)说:“我们的研究中,两面小鼓展现的是一种合作的量子运动状态,它们以相反的相位振动,比如其中一个位于振动周期结束的位置,而与此同时,另一个则位于振动周期开始的位置。在这样的情形下,如果把两面小鼓看作一个量子机械实体,那么小鼓运动中的量子不确定性就被抵消了。”

研究称,这项实验是从根本上洞察经典物理(不受控于不确定性原理)和量子物理(受控于不确定性原理)之间的界限。

研究人员希望这项成果为将来能够在宏观尺度上让两个物体发生纠缠、并控制它们奠定基础。宏观纠缠在量子网络中有重要用途,将推动下一代通信网络的发展。

这份研究5月7日发表于《科学》(Science)期刊。◇

责任编辑:朱涵儒

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