看见爱因斯坦的“鬼魅般的超距作用”

2018-04-27  好大水


在量子物理的诸多奇异现象中,纠缠或许是其中最不可思议的。它描述的是两个相距甚远的物体,以一种藐视经典物理、违背现实常识的方式交织在一起:如果你在一个地方对其中一个物体进行观察,另一个物体哪怕在光年之外也能立刻改变自身的属性,这二者之间仿佛是通过了某种神秘渠道得以紧密相连。1935年,爱因斯坦表达了他对这个概念的怀疑,并将其称之为“鬼魅般的超距作用”。


现如今,纠缠被认为是量子力学的基石,也是许多潜在量子技术的关键之所在。但是,量子纠缠非常的脆弱。之前,科学家只在光子或原子等微观系统中观测到过这一现象。若想要在更大尺度的物体上展示纠缠现象,还存在一些挑战。


大小很重要


在开始谈论这些问题之前,我们需要更多地介绍一点量子物理。量子物理学通常被定义为“极小”的物理学,它的研究对象往往是原子、电子和光子等微小粒子。在量子物理学中,物体的大小真的很重要吗?委婉地说——算是吧。但事实上,在量子力学的表述中并没有任何内容规定了它只能适用于非常小的物体


决定一个物体在运行时会遵循量子物理学中奇怪的规则,还是经典物理学中熟悉的定律,究竟靠的是什么?其实,若要观测到物体的量子行为,需要有两个前提条件。


第一个条件是孤立。外在的世界充斥着来自其他物质和辐射的干扰。如果能找到一种方式将物体与外界隔开,它就能根据量子力学的简单规则进行演化。一个无法将自己与干扰隔绝开的物体,很难获得量子力学的那些丰富特性,它的运动也只能遵循我们熟悉的经典物理学定律。


第二个要素是频率,即一个受限物体振动的频率。量子行为的出现通常要求与物体有关的能量(跟物体振动频率有关)超过与物体环境相关的能量(跟物体温度有关)


对于第一个条件来说,即使一个物体已经很好地与其环境分隔,但仍然难以做到绝对的孤立就拿光来说,光子会与其他光子之间发生弱相互作用,所以如果我们考虑光在接近真空的环境中传播,那么就能算得上一个很好的孤立系统。也就满足了第一个条件。


频率又会有怎样的影响呢?与可见光相关的电场和磁场能以每秒6×1014次左右的频率振动。在这种情况下,光子的能量远远超过了环境中可能存在的热能量。因此,极小的物体更有可能获取观测量子现象所需的条件


尺度增大的实验物


如果不再停留在微观粒子尺度,而是上调至宏观物体,我们还能观测到物体表现出的量子行为吗?答案是肯定的——在最近的一项新研究中,科学家就成功的在几乎肉眼可见的设备中观测到了纠缠现象


在4月25日《自然》杂志刊登的一篇论文中,芬兰阿尔托大学的 Mika Sillanpää 教授领导的研究小组已经证明,大质量物体间的纠缠是可被生成并检测的

在实验中,研究人员设置了两个由金属制成的微型振动圆形薄膜,它们就如同两个鼓面一样,每个含有约1012原子。两个振动的鼓面通过超导电路而进行相互作用,电路中的电磁场会吸收环境中的所有热干扰,只留下量子机械振动从而将鼓面的运动转变为纠缠的量子态。与原子尺度相比,实验中用到的鼓面是真正意义上巨大且宏观的:它们的直径约为15微米,与人类头发丝的粗细相当。

消除所有形式的噪音和干扰对实验来说至关重要,因此实验必须在接近绝对零度(-273°C)的极低温度下进行。值得一提的是,这种实验方法能让纠缠态持续很长一段时间,在这种情况下可以长达半小时。


意义何在?


科学家为什么要进行如此具有挑战性的测量呢?


从基础理论的角度来看,这一实验结果可被用于研究基础物理学,例如仍不胜明朗的引力与量子力学之间的相互关系问题。并且,它给了我们莫大的信心——确定了量子物理的确可以适用于更大尺度的物体。但我们无法知道,随着实验中物体的质量与大小持续增加,这一结论能否继续成立?或许有一天我们会找到答案。


从应用的角度来看,研究成果扩展了纠缠系统的范围,对量子信息处理精确测量、以及量子力学极限的测试都具有深远的影响。它表明了现在我们已经可以控制能产生奇异量子态的宏观机械物体。这一成果为新型量子技术和量子传感器开启了一片新的天地,虽然还很难预测这样的研究最终能带来怎样的结果,但很显然的是,大质量量子系统的时代已经来临。


参考链接:

[1] https://www.nature.com/articles/s41586-018-0038-x

[2] https://theconversation.com/experiment-shows-einsteins-quantum-spooky-action-approaches-the-human-scale-95372

[3] https://www.eurekalert.org/multimedia/pub/168510.php








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