澳科学家波函数揭示薛定谔的猫:本身就是既活又死
2015-03-05 10:06:00   来源:中国新闻网
内容摘要
几十年来,“薛定谔的猫”阐述了量子力学中长期存在的一个谜题:猫到底是活的还是死的?这一争论一直只停留在理论层面,昆士兰大学数学和物理学院的亚历山德罗利用光子的四维状态,并对它们进行非常精确的测量,研究者排除了传统的观点——只因为不知道猫的真实状态,就将其描述为既是活的也是死的。

据国外媒体报道,“薛定谔的猫”阐述了量子力学中长期存在的一个谜题:猫到底是活的还是死的,或者这只是我们头脑中的怪诞想法?如今,昆士兰大学的研究者在这个问题的解答上取得了重要进展。

利用光子的四维状态,并对它们进行非常精确的测量,研究者排除了传统的观点——只因为不知道猫的真实状态,就将其描述为既是活的也是死的。与量子物理学中的所有东西一样,这只猫也可以用波函数来进行描述。

波函数揭示薛定谔的猫:本身就是既活又死 科技世界网

 

昆士兰大学数学和物理学院的亚历山德罗(Alessandro Fedrizzi)博士解释道,尽管量子波函数是我们用来描述量子力学系统的核心工具,但我们对它的本质还了解得不是很透彻。“它是只表现了我们对一个系统真实状态的有限了解,还是会与这种真实状态发生直接联系?”他说,“还有,是否客观存在着这样的真实?”

几十年来,这一争论一直只停留在理论层面,直到近日,包括共同作者Cyril Branciard博士和Eric Cavalcanti博士在内的三个研究团队才进行了实验测试,对该问题进行了解答。

“这一新进展测试了对波函数的几种阐述是否能解答‘我们为什么不能肯定地说出量子状态’的问题,这个问题正是量子力学中的核心所在。”研究主要作者Martin Ringbauer说,“我们的结果显示,如果存在客观真实,那波函数就会对这个真实做出反应。”他们的研究发表在近日的《自然-物理学》(Nature Physics)杂志上。

换句话说,“薛定谔的猫”实际状态就是既是活的也是死的。随着测量手段的进一步改进,物理学家将只剩下两种对波函数的解释:或者波函数是完全真实的,或者没有什么是完全真实的。

 

【什么是薛定谔的猫?】

“薛定谔的猫”是由奥地利物理学家薛定谔于1935年提出的有关猫既是死的又是活的著名思想的实验名字,它描述了量子力学的真相:粒子的某些特性无法确定,直到测量外力迫使它们选择。整个实验是这样进行的:在一个盒子里有一只猫,以及少量放射性物质。在一小时内,大约有50%的概率放射性物质将会衰变并释放出毒气杀死这只猫,剩下50%的概率是放射性物质不会衰变而猫将活下来。

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根据经典物理学,在盒子里必将发生这两个结果之一,而外部观测者只有打开盒子才能知道里面的结果。但在量子力学的怪异世界里,猫到底是死是活都必须在盒子打开后,外部观测者“测量”具体情形才能知晓。当盒子处于关闭状态,整个系统则一直保持不确定性的状态,猫既是死的也是活的。这项实验旨在论证怪异的量子力学,当它从粒子扩大宏观物体,诸如猫,听起来非常荒谬。

薛定谔的猫本身是一个假设的概念,但随着技术的发展,人们在光子、原子、分子中实现了薛定谔猫态,甚至已经开始尝试用病毒来制备薛定谔猫态,就像刘慈欣《球状闪电》中变成量子态的人,人们已经越来越接近实现生命体的薛定谔猫。可是另外一方面,人们发现薛定谔猫态(量子叠加态)本身就在生命过程中存在着,且是生物生存不可缺少的。

 

【“驯服”薛定谔的猫:量子计算机获突破】

据物理学家组织网站报道,英国苏塞克斯大学的物理学家们将现代科学中最反直觉的现象之一成功“驯服”,从而在新一代计算机的研制道路上迈出关键性一步,这种新型计算机将彻底革新我们解决许多现代科学问题的方式。

物理学家们常常用一项思想实验的举例来向人们展示量子力学神秘而奇特的本质,这就是“薛定谔的猫”。从理论上说,薛定谔的这只猫可以同时处于死亡和存活的状态。

根据本周发表在《物理学通报A》杂志上的一篇论文,苏塞克斯大学的物理学家们利用新技术成功地构建出一种特殊类型的“薛定锷的猫”,其基础是离子的捕获以及微波辐射。

和猫一样,研究人员通过构建“纠缠态”让这些离子同时处于两种状态,这种效应对现实本身提出了挑战。

这些被捕获的离子将带领科学家们通往一种新型机器研制的道路,这种机器将能够汲取量子物理理论的强大力量,可以极高的效率帮助我们解决一些问题。

传统上,科学家们会使用激光来作为这种量子过程的驱动工具。但你必须仔细操控数百万条稳定的激光束,这样才能与同样大数量的离子相互协调,用于构建有价值的数据。

然而,如果使用微博辐射代替激光,那么构建量子计算机将会变得容易得多。这就像是一台厨房里使用的微波炉,使用成熟可靠的技术,它发出的辐射可以很容易扩散到宽度较大的空间上。

苏塞克斯大学的研究人员使用微波辐射替代激光构建“薛定锷的猫”状态离子,这是朝着实现量子计算机的前景迈出的重要一步。

韦菲尔德·海森格(Winfried Hensinger)博士是苏塞克斯研究组的首席科学家,他表示:“现在要想构建一台大型量子计算机仍然是一项巨大的挑战,但这项成果显示我们正从基础科学上朝着实现一项突破性技术前进,它将有可能改变我们的生活。”

海森格博士的研究组中包括两名博士后研究员以及三名博士研究生。他们通力协作,花费两年时间发展出这项基于微波辐射的技术,从而大大简化通往量子计算的道路。

研究组博士后研究员之一的赛博·维特(Seb Weidt)博士表示:“这项成就为实现新型的量子技术开启了全新的将会。”

 

【物理学家首次利用“薛定谔的猫”原理拍摄照片】

最近,奥地利物理学家设计出一种新奇方法,无需光与拍摄目标相互作用,利用量子效应也能拍出照片。这听起来似乎颠覆了传统物理的成像原理,他们用一个镂空的猫图案进行了实验,虽不是一张同时“要死要活”的猫照片,却是粒子能同时处于两种状态的证明。相关论文发表在8月28日的《自然》杂志上。

据自然网站报道,量子成像要用成对光子,也就是纠缠的“孪生光子”,其中一个光子的量子态会与另一个连在一起。一个光子以某种概率可能地通过拍摄目标,另一个则进入探测仪。但进入探测仪的光子却“知道”它孪生兄弟的命运,研究人员就是根据它“知道”的情况构建出图像来。

通常人们要收集从物体上反射来的光子才能拍照,该研究负责人、奥地利科学院物理学家安东·泽林杰说:“现在,你第一次不用这么做了。”这种技术的一个优点就是,两个光子的能量不一定要相同,这意味着接触目标的光与检测信息用的光可以有颜色差异。比如,一个量子成像仪可以发射低能光子通过微量生物样本,而用可见光波段的光子和传统照相机来拍照。

泽林杰和同事在1991年提出了这项技术的理论,实验系统包含把每个光子转变为一对纠缠光子的晶体,让每个光子有两条飞行路径,但只有一条路径通过拍摄目标。

论文合著者、奥地利科学院的伽布里拉·莱默斯说,按照量子力学法则,如果不对光子通过了哪条路进行检测,它实际上相当于通过了两条路,在每条路上同时产生一个光子对。在第一条路径上,光子对中的一个光子通过了拍摄目标,而另一个没有。那个通过目标的光子会与另一个“概率自己”——也就是可能选择了第二条路径而没有通过目标的光子——重新结合,然后继续飞开;其余从第二条路径通过的光子也会与它第一条路径上的自己重新结合,然后直接进入摄像机,摄像机就利用这些光子来构建图像,虽然这些光子从未与拍摄目标相互作用过。

研究人员拍了一张几毫米宽的镂空猫图样,还有几张蚀刻在硅片上的其他图样。他们用摄像机无法检测到的光波长来探测到了图形。“这一点非常重要,这是量子成像确实起作用的证据。”泽林杰说。

泽林杰解释说,选择猫形是为了纪念薛定谔1935年提出的著名思想实验。他假设了一只猫在盒子里同时处于死活两种状态,因为没人知道盒子里的毒药是否释放。同样,在新实验中,没人知道光子选择了哪条路径,由此产生了光子对中那个走两条路而不通过目标的光子。