來(lái)自巴塞爾大學(xué)的物理學(xué)家首次觀察到了數(shù)百個(gè)相互作用原子系統(tǒng)中量子力學(xué)愛因斯坦-波多爾斯基-羅森佯謬。這種現(xiàn)象可以追溯到1935年的著名思想實(shí)驗(yàn)。它可以精確預(yù)測(cè)測(cè)量結(jié)果，并可用于新型傳感器和電磁場(chǎng)成像方法。這些發(fā)現(xiàn)最近發(fā)表在《科學(xué) 》期刊上。

原子云由電磁場(chǎng)保持在芯片上方，在空間分離的區(qū)域A和B之間觀察到EPR悖論。圖片：巴塞爾大學(xué)物理系

如何精確地預(yù)測(cè)物理系統(tǒng)上的測(cè)量結(jié)果？在由量子物理定律支配的微小粒子世界中，對(duì)這種預(yù)測(cè)精確度存在根本的限制。這個(gè)極限值由Heisenberg不確定性原理表示，該原理規(guī)定無(wú)法同時(shí)以任意的精度預(yù)測(cè)粒子的位置和動(dòng)量的測(cè)量結(jié)果或者自旋的兩個(gè)分量測(cè)量結(jié)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(nèi)森-羅森發(fā)表了一篇著名的論文，他們表明，在某些情況下，精確預(yù)測(cè)在理論上是可能的。為此他們考慮了兩個(gè)系統(tǒng)A和B，稱為“糾纏”狀態(tài)，其中它們的屬性強(qiáng)相關(guān)。在這種情況下，系統(tǒng)A上的測(cè)量結(jié)果可以用來(lái)以任意精度預(yù)測(cè)系統(tǒng)B上相應(yīng)測(cè)量的結(jié)果。即使系統(tǒng)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(tǒng)A上的測(cè)量結(jié)果來(lái)比系統(tǒng)B（而不是A）直接訪問(wèn)的觀察者更精確地描述系統(tǒng)B.

首先在多粒子系統(tǒng)中觀察到

過(guò)去，實(shí)驗(yàn)使用光或單個(gè)原子來(lái)研究EPR佯謬，這個(gè)悖論來(lái)自發(fā)現(xiàn)它的科學(xué)家的姓名縮寫?，F(xiàn)在，由巴塞爾大學(xué)物理系教授Philipp Treutlein和瑞士納米科學(xué)研究所（SNI）領(lǐng)導(dǎo)的物理學(xué)家小組首次成功地觀測(cè)了EPR悖論，其中使用了包含數(shù)百個(gè)相互作用原子的多粒子系統(tǒng)。該實(shí)驗(yàn)使用激光冷卻原子至絕對(duì)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(xué)定律運(yùn)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(chuàng)性論文中預(yù)測(cè)的物質(zhì)狀態(tài)。

在這種超冷云中，原子不斷碰撞彼此之間，導(dǎo)致旋轉(zhuǎn)糾纏。研究人員隨后在冷凝物的空間分離區(qū)域?qū)ψ孕M(jìn)行了測(cè)量。由于高分辨率成像，能夠直接測(cè)量不同區(qū)域之間的自旋相關(guān)性，并同時(shí)將原子定位在精確限定的位置。通過(guò)他們的實(shí)驗(yàn)，研究人員成功地使用了給定區(qū)域的測(cè)量結(jié)果來(lái)預(yù)測(cè)另一個(gè)區(qū)域的結(jié)果。這兩個(gè)區(qū)域測(cè)量結(jié)果之間有很強(qiáng)的相關(guān)性，它們使我們能夠證明EPR悖論。在更大的系統(tǒng)中觀察這種量子物理的基本現(xiàn)象是很有趣的，同時(shí)實(shí)驗(yàn)也建立了愛因斯坦最重要的兩部作品之間的聯(lián)系。

量子技術(shù)的道路

除了基礎(chǔ)研究之外，科學(xué)家們已經(jīng)在猜測(cè)他們發(fā)現(xiàn)的可能應(yīng)用。例如處于EPR悖論核心的相關(guān)性可用于改進(jìn)電磁場(chǎng)的原子傳感器和成像方法。這種量子傳感器的發(fā)展是研究量子科學(xué)與技術(shù)國(guó)家能力中心（NCCR QSIT）的一個(gè)目標(biāo)，其中研究團(tuán)隊(duì)積極參與其中。

博科園-科學(xué)科普｜參考期刊：Science｜來(lái)自：巴塞爾大學(xué)