在原子系統中觀察到愛因斯坦-波多爾斯基-羅森佯謬

驚奇 08-06

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群星璀璨、萬物有理

來自巴塞爾大學的物理學家首次觀察到了數百個相互作用原子系統中量子力學愛因斯坦-波多爾斯基-羅森佯謬。這種現象可以追溯到1935年的著名思想實驗。它可以精確預測測量結果，並可用於新型感測器和電磁場成像方法。這些發現最近發表在《科學》期刊上。

原子云由電磁場保持在晶元上方，在空間分離的區域A和B之間觀察到EPR悖論。圖片：巴塞爾大學物理系

如何精確地預測物理系統上的測量結果？在由量子物理定律支配的微小粒子世界中，對這種預測精確度存在根本的限制。這個極限值由Heisenberg不確定性原理表示，該原理規定無法同時以任意的精度預測粒子的位置和動量的測量結果或者自旋的兩個分量測量結果。

不確定性的矛盾減少

1935年阿爾伯特-愛因斯坦，鮑里斯-波多爾斯基和內森-羅森發表了一篇著名的論文，他們表明，在某些情況下，精確預測在理論上是可能的。為此他們考慮了兩個系統A和B，稱為「糾纏」狀態，其中它們的屬性強相關。在這種情況下，系統A上的測量結果可以用來以任意精度預測系統B上相應測量的結果。即使系統A和B在空間上分離，這也是可能的。矛盾的是，觀察者可以使用系統A上的測量結果來比系統B（而不是A）直接訪問的觀察者更精確地描述系統B.

首先在多粒子系統中觀察到

過去，實驗使用光或單個原子來研究EPR佯謬，這個悖論來自發現它的科學家的姓名縮寫。現在，由巴塞爾大學物理系教授Philipp Treutlein和瑞士納米科學研究所（SNI）領導的物理學家小組首次成功地觀測了EPR悖論，其中使用了包含數百個相互作用原子的多粒子系統。該實驗使用激光冷卻原子至絕對零度以上幾十億分之一。在這些溫度下，原子完全按照量子力學定律運行，形成所謂的玻色 - 愛因斯坦凝聚體——愛因斯坦在1925年另一篇開創性論文中預測的物質狀態。

在這種超冷雲中，原子不斷碰撞彼此之間，導致旋轉糾纏。研究人員隨後在冷凝物的空間分離區域對自旋進行了測量。由於高解析度成像，能夠直接測量不同區域之間的自旋相關性，並同時將原子定位在精確限定的位置。通過他們的實驗，研究人員成功地使用了給定區域的測量結果來預測另一個區域的結果。這兩個區域測量結果之間有很強的相關性，它們使我們能夠證明EPR悖論。在更大的系統中觀察這種量子物理的基本現象是很有趣的，同時實驗也建立了愛因斯坦最重要的兩部作品之間的聯繫。

量子技術的道路

除了基礎研究之外，科學家們已經在猜測他們發現的可能應用。例如處於EPR悖論核心的相關性可用於改進電磁場的原子感測器和成像方法。這種量子感測器的發展是研究量子科學與技術國家能力中心（NCCR QSIT）的一個目標，其中研究團隊積极參与其中。

博科園｜研究/來自：巴塞爾大學

參考期刊《Science》

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