QC资讯丨超冷原子气体中的量子非局域性-量子客所示的散射方案是由两个反向传播的激光束形成的光学晶格。气体由黑点表示,原子散射分开的区域A和B中,这与两个远距离的鞋盒相对应。图片来源:华沙大学物理系
在距离超过一公里的量子物体之间观测到了非局域性,爱因斯坦称之为“幽灵般的超距作用”。近年来,在寻求非局域系统方面取得了重大进展。华沙大学物理学院的研究人员,提出了一种创造和检测超冷原子多体系统中这种相关性的新方法。他们的成果已发表在《物理评论快报》”上。量子力学是在20世纪上半叶制定的。它的预测已经在许多实验和应用中得到证实,从电脑芯片到医疗用激光器。

“虽然量子理论被普遍接受,但它的一些方面仍然存在争议。例如,叠加状态被描述为它们同时存在于许多地方,这在经典世界中没有对应物,并且很难解释。物理对象之间的纠缠——量子相关性——也不能与日常生活经验相比较。”华沙大学物理系Jan Chwedenczuk说。

对于许多研究人员来说,至少从哲学角度上,量子力学最相关的方面是非局域性。人们很难接受在遥远的星系发生的事件可以一直快速影响地球上发生的事情。然而,量子理论考虑到了这种非局域现象。

想象有一双鞋子、两个盒子和一个随机数发生机——鞋子根据抽签的结果分发到盒子中。之后,一盒送到火星,另一盒留在地球上。没有打开盒子,一般就会认为如果左鞋在地球上,那么右鞋就在火星上;反之亦然。在经典领域,其中一种可能性是在产生随机数的时刻确定的。量子力学以这样一种方式描述这种情况,即两种可能性同时存在。而且,其中一个盒子的局部操作会立即影响另一个盒子,无论它们有多远。我们说量子力学是一种非局域理论。只有在测量完成并且在盒子打开之后,每只鞋子的状态才会确定。

这个例子仅仅作为一个说明——在原子这一规模上也观察到了这种微妙的影响。尽管如此,用另一个系统“驾驭”一个系统而没有任何直接相互作用,仅仅关于它的一个可能性就驱使爱因斯坦和他的同事写了一篇题为《物理现实的量子力学描述能否被认为是完整的?》的论文。

近三十年后,北爱尔兰物理学家John Bell证明,量子力学的预言与局部现实主义的假设相矛盾,它假设物体具有确定的特性(现实主义),其行为受到附近发生的事情的影响(局部性)。John Bell给出了一个检验简单物理系统中非局域性的方法。这种方法现在称为贝尔不等式(the Bell inequalities)。

在最近的出版物中,Tomasz Wasak和Jan Chwedenczuk考虑了一个复杂的多体量子系统,它揭示了非局域性质并最终给出了一种实验上有用的方法来检测这种相关性。该系统是氦原子的玻色-爱因斯坦凝聚体(Bose-Einstein condensate of helium atoms),用两个反向传播的激光束照射。在这样的配置中,氦原子碰撞并散射到相反的方向,形成非局域对(a non-local pair)。

“分散的原子是这双鞋子的模拟物。类似于这个例子,人们可以在局部操纵每个原子并进行测量,以弄清楚该系统中是否确实存在非局域性。”Jan Chwedenczuk说。

本文是《量子计算前沿》基于相关资料原创编译,并整理在量子客上发布。

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