【儀表網(wǎng) 研發(fā)快訊】近日，上海交通大學(xué)物理與天文學(xué)院金賢敏課題組在Physical Review Letters上發(fā)表題為 “Test of nonlocal energy alteration between two quantum memories”的研究論文，利用量子存儲(chǔ)檢驗(yàn)了德布羅意-玻姆理論所建議的非局域能量改變。
 

　　當(dāng)兩個(gè)粒子處于自旋糾纏態(tài)時(shí)，對(duì)其中一個(gè)粒子進(jìn)行測量，會(huì)非局域地影響另一個(gè)粒子的自旋狀態(tài)。這啟發(fā)本工作的研究者大膽猜測：通過量子關(guān)聯(lián)，可以非局域地改變能量的空間分布。這種看起來超現(xiàn)實(shí)的現(xiàn)象，曾被德布羅意-玻姆理論提及，但一直未被正式命名，也未被實(shí)驗(yàn)檢驗(yàn)。一個(gè)客觀原因是，在量子存儲(chǔ)出現(xiàn)之前，不容易實(shí)現(xiàn)：將粒子及其能量的隱變量指定為空間位置而不是內(nèi)稟屬性(自旋)，而且能夠保存、探測和讀取記錄位置信息的量子態(tài)。
 

　　圖1 (a)實(shí)驗(yàn)的概念圖。(b)主要操作的時(shí)空分布。(c)干涉區(qū)域的相對(duì)論玻姆軌跡。

 

　　研究團(tuán)隊(duì)采用量子存儲(chǔ)(quantum memory，簡記為QM)，結(jié)合相對(duì)論玻姆軌跡，對(duì)能量的非局域改變進(jìn)行實(shí)驗(yàn)檢驗(yàn)(圖1)。QM產(chǎn)生的Stokes光子(記為S1)作為第一個(gè)粒子，而QM中存儲(chǔ)的原子激發(fā)作為第二粒子。由于這兩個(gè)粒子產(chǎn)生于同一個(gè)拉曼散射過程，它們之間剛好具有本研究所需要的量子關(guān)聯(lián)。研究者可以對(duì)QM進(jìn)行讀取操作，以得到原子激發(fā)及其能量的位置信息，這屬于強(qiáng)測量。也可以通過本研究設(shè)計(jì)的一種弱探測技術(shù)來獲取位置信息。這里的弱探測可以類比為：在每個(gè)QM旁邊，有一個(gè)視線受阻的觀察者(用一只猴子表示)查看原子激發(fā)及其能量的位置。它的每次觀察僅僅對(duì)QM產(chǎn)生一些輕微的擾動(dòng)，同時(shí)會(huì)獲得一些關(guān)于能量位置的模糊信息。這些位置信息雖然模糊卻很有用，因?yàn)榭梢耘c后選擇操作一起，驗(yàn)證過去發(fā)生的事件和未來發(fā)生的事件之間的量子關(guān)聯(lián)。
 

　　圖2(a-b)局域理論預(yù)測的能量位置和玻姆軌跡。(c-f)非局域理論預(yù)測的結(jié)果。

 

　　研究團(tuán)隊(duì)分析了局域模型和非局域模型的各種預(yù)測結(jié)果(圖2)，并且搭建了兩套實(shí)驗(yàn)裝置(分別類似雙源干涉和雙縫干涉)來相互印證各種條件概率(圖3)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果與非局域理論一致，這表明原子激發(fā)和S1光子之間可以通過非局域的方式相互影響：通過對(duì)原子激發(fā)的輕微探測可以非局域地改變S1光子的玻姆軌跡；通過控制S1光子的玻姆軌跡可以非局域地改變原子激發(fā)及其能量的位置。本研究從能量的角度對(duì)量子非局域性進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)探索，涉及的是一個(gè)相對(duì)基礎(chǔ)的研究領(lǐng)域，有望激發(fā)更多研究者關(guān)注量子力學(xué)基本問題。
 

圖3：局域模型和非局域模型預(yù)測的條件概率以及實(shí)驗(yàn)結(jié)果。
 

　　上海交通大學(xué)物理與天文學(xué)院助理研究員竇建鵬為論文的第一作者，金賢敏教授為通訊作者，博士生路峰和唐豪教授為論文的共同作者。本工作由國家自然科學(xué)基金、國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃、上海市科委、上海市教委、新進(jìn)教師啟動(dòng)計(jì)劃以及中國博士后科學(xué)基金等項(xiàng)目資助，在此深表感謝。