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量子纠缠照片首次曝光 两个微小粒子可被配对和分离

2019-07-18 14:23:55 来源: 前瞻网

来源:University of Glasgow上面的这张黑白照片虽然没什么好看,然而,这些幽灵般的眼睛形状图案却向我们揭示了一种奇怪的现象,这种现象...

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来源:University of Glasgow

上面的这张黑白照片虽然没什么好看,然而,这些幽灵般的眼睛形状图案却向我们揭示了一种奇怪的现象,这种现象曾经让爱因斯坦感到非常不安,以至于他在去世的时候都不相信这种现象的存在。

这张照片是第一张量子纠缠的照片,也就是那种“幽灵般的”粒子对。

格拉斯哥大学的物理学家保罗-安托万·莫罗(Paul-Antoine Moreau)在一份新闻稿中说:“我们成功捕捉到的这张照片优雅地展示了自然的一个基本属性,这是我们第一次以图像的形式看到这种现象。”

莫罗领导的研究小组成功创造了这幅图像,并于上周五在《科学进展》(Science Advances)杂志的一项研究中发表。

量子纠缠101

量子纠缠是一种现已得到充分证明的观点,即两个微小的粒子可以被配对和分离,且仍然能够在遥远的距离上保持密切和即时的联系。

根据物理定律,两个粒子可以在一个二元的性质或状态(就像是或者否一样)中发生纠缠,如自旋或相位极化。但在测量到一个粒子之前,这种状态仍然是模糊的,或者说处于“叠加”状态。而在粒子被观察的那个精确时刻,即使粒子之间相隔数光年,另一个粒子也会呈现出与它孪生粒子相反的状态。

为了理解这个概念,我们可以先假设每个纠缠的粒子都是一个包含一只猫的盒子。里面的猫有可能是活的也有可能是死的——也就是说,直到有人打开其中一个盒子,我们才知道盒子里面的猫是死是活。如果一个盒子里的猫是活的话,那么另一个盒子里的猫就一定是死的了(反之亦然)。

爱因斯坦认为这种类似心灵传送的效果非常荒谬,以至于他将其描述为“远距离的幽灵行为”。

康奈尔大学研究量子力学的物理学家J.C.西莫斯·戴维斯(J.C. Seamus Davis)此前表示:“爱因斯坦接受不了这一点,直到他去世时都没有接受这一事实,但现在这个现象已经被证明了有数百万次了。”

证明量子纠缠现象的最新一篇研究发表于2017年2月,该研究使用了600年历史的星光,表明两个粒子在纠缠的时刻没法“作弊”,在被测量之前也无法共享一种状态。

我们日常生活的经验根本就不能解释这些小颗粒的纠缠现象,这是因为在微小的尺度上,宇宙似乎遵循着不同的物理规则,而其中许多规则是自相矛盾,违背理性的。例如,在一些量子力学的场景中,结果并不总是遵循在原因之后;事实上,在原因发生之前,结果可能就已经发生了。

戴维斯说,被量子力学搞糊涂很正常,“我们本身进化就不是为了理解”量子力学理论和它所带来的反直觉后果。

“但从20世纪20年代开始的数学计算和预测结果都是正确的,”他说,“这是人类历史上最成功的科学理论。”

然而,在那几十年里,还没有人捕捉到量子纠缠粒子的图像,而这就是莫罗和他的同事们计划要做的事情。

第一张量子纠缠图像是怎样被拍摄下来的

被称为光子的光粒子可以发生许多种量子效应纠缠。然而,在他们的实验中,研究人员只选择了一种叫做相位的量子效应。实验中,研究人员使用紫外线激光束来照射一种会使激光中一些光子的相位发生纠缠的特殊晶体。

接下来,他们用分光器或者是半镜面玻璃把光束分成两个相等的“分支”。这时候,一些在晶体作用下发生纠缠的光子就会被分开。

其中一条光子分支会通过一个过滤器,这个过滤器会将粒子限制在四个相位中的一个(相位过滤器有效地测量”了光子的这个特性,因此它会立即导致粒子的纠缠粒子做出反应)。然后光子就会进入一个非常敏感的相机,这个相机能够检测单个光子。而另一条光子分支则会进入到相机的高速触发装置里。

相机传感器只有在两个纠缠光子同时以相反相位到达各自的探测器的时候才会记录信息。随着时间的推移,研究人员也就建立了一个纠缠光子撞击相机的图像。

研究人员预计,通过相位过滤器的纠缠光子会形成四种类似眼睛的图案,而这也与实验图像所显示的一样。

莫罗说,这项实验提供了更多的证据,证明量子纠缠是真实存在的,而且纠缠粒子可能会在未来的科学成像应用中派上用场。

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