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火遍童年的玻璃珠,竟然跟量子力学扯上了关系?

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研究人员让一颗玻璃微珠与光纠缠在一起,展现出它的量子特性 图源:pixbay

写量子纠缠,总是一件颇具挑战的事。你得绕开太多陈词滥调:神秘、像幽灵一样、诡异、古怪……量子纠缠似乎不该被这些词定义,却又好像每个词都沾一点边。要我说,它简直处于这些老套形容词的“叠加态”。好了,既然第二句话就把这些套话用完了,我们不妨进入正题:研究人员究竟是怎样让一束光与一颗玻璃微珠发生量子纠缠的?坦白说,这可是一项了不起的实验成果。

不说套话,聊聊纠缠

量子纠缠的一个核心特征,是两个对象的某些性质彼此关联,不能再完全独立地描述。先举一个不太恰当但容易理解的例子:我的上臂和前臂,在相对位置上有很强的关联,因为它们通过肘关节连在一起。这没什么令人惊讶的,我们一眼就能看出,它们共同组成了一个整体,叫作手臂。

两个光子也可以在某种意义上“连在一起”,使它们的某些性质出现关联。不过,这里的“连接”并不是一根看得见的绳子,而是它们共同处于一个量子态。我们之所以会(天真地)觉得这件事不可思议,主要有三个原因:

第一,我们习惯把两个光子想象成完全独立的对象,觉得它们不可能“连起来”。这个直觉并不适用于纠缠态。

第二,这种关联只体现在特定的性质上。例如,两个光子的偏振可能毫无关联,能量却存在很强的关联。

第三,也是最关键的一点:我们没法像看见肘关节那样,直接看见光子之间的“连接”。这种“连接”只能从破坏性测量的结果中显现出来:这里所说的光子探测通常会吸收光子,也就破坏了被测对象。最后这一点是量子力学独有的,与我们的日常经验完全不同;第二点也有几分这样的意味。

还有一点更让人难以习惯: 这种关联不需要等待一个信号从某个光子传到另一个光子 。即使设想两个纠缠光子之间相隔整个宇宙,测量其中一个时,另一个光子的相应测量结果也会立即受到它们共同量子态的约束。当然, 这 并不意味着我们能用纠缠实现瞬时通信 。

纠缠在实验中是什么样的?

假设我们用一种巧妙的方法,让一个光子转化为两个光子。新产生的两个光子,各自带走原来光子的一部分能量。这份能量究竟如何分配,在测量之前并没有一个确定的答案。每个光子的能量都处于多个可能值的叠加态:我们可以算出测量得到各个能量值的概率。但是,有一件事是确定的:两个光子的能量加起来,必须等于原来那个光子的能量。于是,只要测出了其中一个光子的能量,另一个光子的能量也就随之确定了。

你可能会想:这有什么特别的?两个光子也许早就各自带着确定的能量,我们只是一直没有去测罢了。然而,如果你把这种“答案早就藏在里面”的想法当作量子系统的一般解释,并据此预测各种测量结果,就会发现它与实验不符。

这里的关键是: 测量之前,两个光子共同处于一个纠缠态,各自的能量并没有确定下来;测量之后,我们得到了一个确定的能量值,而另一个光子的相应能量也随之确定。 这种结果曾让许多人难以接受,也催生了文章开头那些令人头疼的形容词。


想象中的量子纠缠。图源:pixbay

如果量子世界真是这样的,为什么我们在日常生活中没有看到纠缠?问得好。关于量子世界如何呈现出我们熟悉的日常面貌,各种理论还在八角笼中打擂台,等这场死斗分出胜负,我一定很乐意告诉你谁是最终赢家。

不过,这些解释至少有一个共同点:物体越大,通常就越容易与周围环境发生相互作用,从而破坏这些量子关联。你可以把这些相互作用理解为环境不断对物体进行“测量”。它们可能让纠缠刚刚建立起来,就迅速消失。这也解释了,为什么光场与一颗玻璃微珠之间的纠缠如此不同寻常。与单个光子相比,玻璃微珠已经是一个相当大的对象。在普通条件下,环境造成的干扰很可能在我们测到纠缠之前,就把它破坏了。

怎样让玻璃微珠与光纠缠?


实验如何让玻璃微珠与光纠缠。 两束激光有不同作用:A(图中红色)负责冷却和稳定微珠,B(图中蓝色)用于产生纠缠;红、蓝是示意配色,并非激光实际可见的颜色。图源:AI生成,改编DOI: 10.1126/science.aeh1375图1

研究人员首先利用激光形成的“光镊”,把一颗玻璃微珠悬浮起来,并对它进行冷却。 光镊并不是一把看得见的镊子。它利用光对微小物体施加的力,把物体限制在一定范围内。

实验中还有两面镜子,组成一个“光学腔”。光在两面镜子之间来回反射,玻璃微珠则位于腔的中央。光学腔的作用,是让里面的光场具有稳定、明确的结构。两面镜子之间的距离,决定了哪些频率的光能够在腔内形成共振,以及光波的相位关系。最终,腔内会出现一些固定的亮处和暗处,形成所谓的“驻波”。

你在振动的吉他弦上也能看到类似现象:弦上的某些位置始终几乎不动,另一些位置却振动得很明显。


吉他弦上的驻波示意。两种颜色表示同一根弦在不同时刻的位置:波节始终不动,波腹振动最明显。图中展示的是一种驻波模式,振幅经过夸张处理。图源:AI生成。

有了这样的驻波结构,只要微珠的位置变化不大,它与光场之间的相互作用也就能得到明确的描述。这也是研究人员需要冷却微珠的另一个原因。

这里的“冷却”有一种特别的含义:我们关心的主要不是玻璃本身的温度,而是整颗微珠来回运动的剧烈程度。虽然微珠被光镊困住了,但这种束缚更像是用橡皮筋牵住它,而不是用金属镊子把它夹死。它仍然会在激光束中来回振动。从这种运动的角度说,微珠是“热”的。要冷却它,就得削弱这种振动,让它尽可能安静下来。当然,它永远无法彻底静止:即使到达量子力学允许的最低能量状态,也仍然会保留微小的运动。

研究人员通过稍微降低激光频率,也就是让它相对“偏红”,来实现冷却。在合适的实验条件下,微珠的运动与多普勒效应使散射光从微珠那里带走一点能量。光获得了能量,微珠的运动能量就减少了,振动也随之减弱。

微珠冷却下来之后,还需要让激光以恰到好处的方式“推”它一下,才能建立微珠与光之间的纠缠。这一次,研究人员稍微提高激光频率,让它相对“偏蓝”。同样的多普勒频移,之前帮着光从微珠那里带走能量,现在却反过来给微珠的运动添了一把火。

于是,实验中有了两束激光:一束负责冷却,一束负责加热,也就是激发微珠的运动。冷却光只有在微珠的运动能量高于最低值时,才能继续从它那里取走能量;而另一束光不断向它输入能量,使这一过程得以发生。两束光由此通过微珠的运动联系起来,它们的波动也出现关联。研究人员利用这些关联,来检验光场与微珠之间是否建立了量子纠缠。可问题是:怎么测?

从漏出来的光中,寻找纠缠的证据

光学腔的镜子并不会把所有光都关在里面。少量光会穿过其中一面镜子,泄漏到腔外。离开光学腔的约束后,这些输出光的相位和振幅(可以粗略理解为光波振动的“在一个周期中走到了哪一步”和“起伏有多大”)带有微小的波动,而这些波动与微珠的运动有关。两束光都会从腔内泄漏出来。研究人员测量它们的波动及其关联,再结合对整个系统的分析,就能判断光场与微珠之间是否存在纠缠。

这项实验一点也不轻松。测量数据中有很强的噪声。研究人员还必须建立一个足够准确的系统模型,才能区分哪些结果可以由没有纠缠的状态解释,哪些结果真正体现了纠缠;毕竟,有相关性,并不自动等于有量子纠缠。

不过,这也是此类测量的首次实现。随着实验技术不断改进,我们有理由期待,今后的测量会做得更好。

它有什么用?

我是那种看到新成果,就忍不住问“这有什么用”的人。

但即使暂时不谈应用,我也很欣赏这样的研究:它展示了令人惊叹的实验技术,也再次提醒我们,量子力学的身影,从微观世界再到我们身边的宏观世界,确实无处不在。

研究人员则已经看到了潜在用途:在量子通信中,光是传递量子信息的重要载体。但光适合把信息送走,要把它留下来、存起来,却并不容易。这样的机械系统,有望把量子信息暂时保存在本地,充当一个“量子存储器”。而且,它是一个完全由人工构建的系统。我们可以通过调整装置,让它具备所需要的特性——在我看来,这让它颇有前景。


量子存储器的潜在应用示意。光负责传递量子信息,微珠的运动状态有望暂存这些信息,并在需要时将其转回光信号。图示为AI生成的应用设想 图源:AI生成

作者:Chris Lee

翻译:Ivy不会起名

审校:姬子隰

fu

li

shi

jian

今天我们将送出由中信出版社提供的《量子其实超好懂!》。


本书沿着百年量子发展脉络,用漫画拆解硬核原理,用故事点亮科学高光,聚焦“墨子号”“祖冲之号”“京沪干线”等中国量子重磅成就,告诉你“量子是什么”“量子如何改变世界”“中国量子到底有多牛”!书中,混子哥用漫画把高深量子知识变通俗,潘建伟院士领衔墨子沙龙团队专业护航,一本书讲透量子科学与中国量子科技成就,带你看懂量子如何改变未来。让青少年在快乐阅读中建立科学思维、看清前沿科技、点燃属于中国少年的科技自信。

【互动问题:如果这颗玻璃微珠将来能成为“量子存储器”,你最想追问哪件事:信息能存多久、能存多少,还是怎样把信息读出来?为什么?】

请大家严格按照互动:问题答案的格式在评论区留言参与互动,格式不符合要求者无效。

截止到本周四中午12:00,参与互动的留言中点赞数排名第二、三、五的朋友将获得我们送出的图书一本(点赞数相同的留言记为并列,并列的后一名次序加一,如并列第二的后一位读者记为第三名,以此类推)。

为了保证更多的朋友能够参与获奖,过往四期内获过奖的朋友不能再获得奖品,名次会依次顺延

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编辑:楠客

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