三縫試驗中另類的量子疊加現象

上圖所示是，一個到四個分別的狹縫的干擾模式

來自奧地利的一組物理學家將一束大分子束打在一列極窄的狹縫上，以尋找一種稱為「多徑干擾」的現象。但正如預期的那樣，他們什麼也沒找到，他們說這次的實驗嘗試也是很值得的，成功否定了如我們已知的量子力學領域的迭加原理的存在。

根據疊加原理，任何兩個量子態都可以疊加在一起，以創建一個第三有效態。相反，它總是可以分為兩個子狀態存在的量子態。後者的特點是利用許多量子技術，無論是量子比特中的0和1的疊加，還是激光束的分裂和干涉，以測量位置或加速度的微小變化。

試驗中是否真的發生在疊加，最新的研究依賴於量子物體的某個特徵：無論有多少路可以去從一個狀態到另一個，數學表達式描述的這種概率也就產生了一定的測量結果，可以被分成一系列術語，其中每個術語涉及的對象同時不超過兩路徑。存在的三個或更多的路徑干擾需要的把（線性）薛定諤方程替換為更一般的非線性的方程。

其他研究組最近也在找這種多徑干擾的證據，但大都利用其它方式如激光和微波束。但最新的工作，由奧地利維也納大學的Joseph Cotter和同事們進行的，是首次直接利用大量的粒子進行試驗。Cotter說，在一個非線性薛定諤方程的擴展中存在的大量依賴項，可以解釋為什麼在宏觀尺度上的量子效應的消失。

在研究中，該團隊認為當一束巨大的粒子穿過三狹縫時會發生什麼。由於波粒二象性，光束在屏幕上產生一組干涉條紋，這些條紋在狹縫後面有一定距離。這種模式將在即使在同一時間只有一個粒子通過狹縫時也會形成。如果這種疊加成立，描述穿過所有三個狹縫的光束的波函數將等於與每個狹縫相關的波函數之和。

在這種情況下，一共會有三條，一個到達屏幕上任何點粒子的概率可以用六種子概率描述，一半是指定的粒子通過只是每個單縫，另外一半概率是粒子沒有通過一個給定的狹縫。這意味著可以通過疊加在三狹縫實驗與單和雙縫衍射實驗測定來獲得概率測試：如果從後者的結果與組合不匹配，那麼就會從中發現薛定諤方程的不足之處。

該小組使用激光產生一個熱的粒子束，其中包括一種染料分子，它們是由以色列科學家製作的衍射掩模引導的。該掩模包含80納米寬的狹縫，排列成四個組，分別是一個狹縫、兩個雙縫和三個狹縫，能夠在屏幕後面產生同步干涉圖案。

研究人員發現，如薛定諤方程所決定的那樣，由這三狹縫他們留下的強度非常接近於零減去適當歸納強度的單縫和雙縫。事實上，他們觀察到在屏幕上記錄的每100個粒子中少有一個粒子的位置與量子力學的預言不一致。這一結果對衍射圖案寬度中的粒子和德布羅意波長的全波段都是適用的。

義大利的里亞斯特大學的Angelo Bassi稱讚這個創新性的實驗，把它描述為「進一步證實了量子力學是在一個較高的水平的定理下的，是難以通過標準的雙縫實驗進行驗證的」。多徑干擾現象的最終發現，根據加拿大的滑鐵盧大學的Raymond Laflamme說，這將導致「我們對世界認識的革命性改變」。事實上，他認為，「試圖找到在量子力學領域什麼會失效就和試圖建造量子計算機一樣有趣。」

開展利用大量的粒子實現多徑干擾敏感探針的實驗可以通過幾個不同的方式完成，Cotter說。一種是用較冷的低質量原子，如氦或鋰，用更長的波長代替當前實驗中使用的相對重的、熱的短波長的分子。這是因為如果出現多徑干擾，預計規模將是3/2波長的功率大小。然而，如果質量原因確實要修正薛定諤方程，那麼可是嘗試一下更大質量的粒子。這樣做，Cotter說，將要求更為明亮的分子源以及更先進的掩模的速度。

這一研究已經發表在《Science Advances》雜誌上。

來源：

http://physicsworld.com/cws/article/news/2017/aug/24/quantum-superposition-still-adds-up-in-three-slit-experiment

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