协议可以使测试大型物体的量子性质变得更容易

由柏拉图重新发布

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振荡物体：新协议无需创建宏观量子态即可评估 Leggett-Garg 不等式。（图片来源：Shutterstock/Evgenia-Fux）

英国和印度的研究人员提出了一种测试大型物体量子性质的协议——原则上可以适用于任何质量的物体。该协议的一个关键特征是不需要创建宏观量子态来测试量子力学在大范围内是否有效。然而，一些物理学家并不相信这项研究构成了重大进展。

量子力学在描述原子、分子和电子等亚原子粒子方面做得非常出色。然而，较大的物体通常不会表现出量子行为，例如纠缠和叠加。这可以用量子退相干来解释，当微妙的量子态与噪声环境相互作用时，就会发生这种现象。这导致宏观系统根据经典物理学表现。

量子力学如何在宏观尺度上分解不仅在理论上令人着迷，而且对于试图发展一种将量子力学与阿尔伯特·爱因斯坦的广义相对论相协调的理论至关重要。因此，物理学家热衷于观察更大物体中的量子行为。

艰巨的挑战

当处理比陷阱中的原子或分子大得多的物体时，创建宏观量子态并将其保存足够长的时间以观察其量子行为是一项艰巨的挑战。事实上，两个独立的小组（一个在美国，一个在芬兰）对宏观振动鼓面（每个尺寸为 10 微米）的量子纠缠被选为 物理世界 2021年的突破表彰团队的实验能力。

新协议的灵感来自 Leggett-Garg 不等式。这是贝尔不等式的修改，该不等式根据两个物体状态测量之间的相关性来评估它们是否存在量子力学纠缠。如果违反贝尔不等式，那么测量结果之间的相关性就会非常好，如果它们的状态是独立的，那么信息在物体之间的传播速度就必须比光快。由于超光速通信被认为是不可能的，因此违规行为被解释为量子纠缠的证据。

Leggett-Garg 不等式将相同的原理应用于同一物体的连续测量。首先以非侵入性的方式测量物体的属性（如果它是经典（非量子）物体）。随后进行另一次测量。如果对象是经典实体，则第一次测量不会改变第二次测量的结果。然而，如果物体是由量子波函数定义的，那么测量行为本身就会干扰它。因此，连续测量之间的相关性可以揭示物体是否遵循经典力学或量子力学。

振荡纳米晶体

2018年，理论物理学家苏加托百色伦敦大学学院的他和同事提议对在光学谐波陷阱中来回振荡的冷却纳米晶体进行这样的测试。纳米晶体的位置可以通过将光束聚焦在陷阱的一侧来确定。如果光穿过而没有散射，则该物体位于陷阱的另一侧。通过稍后观察陷阱的同一侧，可以计算是否违反 Leggett-Garg 不等式。如果是这样，最初未检测到物体就会扰乱其量子态，因此纳米晶体将表现出量子行为。

博斯说，问题在于必须在陷阱的同一侧测量质量两次。这仅适用于具有短周期振荡的质量，因为量子态必须在整个测量过程中保持相干。然而，大量的兴趣将有一个太长的时期而无法发挥作用。现在，玻色及其同事建议，如果物体遵循经典力学，则应在预期到达的位置进行第二次测量。

“最好去它由于正常振荡而去的地方，看看它与那个地方有多大不同，”博斯说。

这种方案的好处是，只要物体保持相干状态，就应该可以对任何质量的物体进行实验，因为总是可以计算出经典谐振子的预期位置。隔离更大的物体确实变得更加困难，但玻斯相信这些明显的经典状态比叠加等奇特的宏观量子状态对噪声更鲁棒。

跟踪系统的演变

量子物理学家弗拉特科维德拉牛津大学的教授同意，研究人员的方法比尝试使用空间分离的宏观量子态的实验更有好处。然而，他表示，“在这些测量中，重要的不是初始状态，而是你进行的测量序列”，并且在第一次测量后跟踪系统的演变以揭示相关性“并不重要”。根本就是一个微不足道的问题”。

如何测量纳米晶体中的量子行为

他还对群众独立的主张持怀疑态度。 “我不知道在实践中实现这一点有多容易，”他说，“但这只是与规模相关，因为子系统越多，对环境的泄漏就越多。”

托尼·莱格特（在 1980 世纪 2003 年代与 Anupam Garg 共同提出了不等式）是量子力学基础专家，因其在超导和超流体方面的工作而荣获 XNUMX 年诺贝尔奖。现在，他是伊利诺伊大学的名誉教授，他看到了 Bose 及其同事的工作中的另一个问题。 “很明显，这些研究人员相信量子力学将继续发挥作用——但我不太有信心，”他说。

然而，莱格特指出，物理学界的大多数人都会将量子力学崩溃的证据解释为退相干的结果——这可能是由侵入性测量引起的。与他参与的已知状态实验不同，他表示 Bose 及其同事没有提供一种方法来测试其测量的侵入性，例如在不同的一组状态上使用相同的测量协议。

该研究在一篇论文中进行了描述，该论文已被接受发表在 “物理评论快报”. A 预印本可在 arXiv.