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中国科大实现8个离子的“薛定谔猫”态

2010-05-16
中国科大,薛定谔猫,实现世界最大薛定谔猫态
中国科大实现8个离子的“薛定谔猫”态

量子力学的奠基人之一薛定谔为此在1935年提出著名的“薛定谔猫”佯谬。“薛定谔猫”佯谬假设了这样一种情况:将一只猫关在装有少量放射性原子和毒药的密闭容器里。放射性原子的衰变存在几率,如果发生衰变,会触发机关打碎装有毒药的瓶子,猫就会死;如果不发生衰变,猫就存活。根据量子力学理论,由于放射性原子处于衰变和没有衰变两种状态的叠加,猫就理应处于死猫和活猫的叠加状态。这只既死又活的猫就是所谓的“薛定谔猫”。

中国科大成功实现世界最大薛定谔猫态

2010年05月16日 15:05 新华网
  新华网合肥5月16日电(记者熊润频)在宏观世界里,同一只猫在同一个瞬间里不可能既是死的又是活的,但是在量子世界,科学家们不仅发现一颗微观的粒子可以同时呈现出相反的状态,甚至可以在实验条件下利用越来越多的粒子来制造出这种奇特的状态。在这项前沿研究上,中国科学技术大学的研究者将参与实验的粒子成功发展到了10个,创造了新的世界纪录。

  在量子微观领域,同一个铍离子,可以在第一个空间位置上处于自旋向上的状态,并同时以自旋向下状态出现在第二个空间位置上。这两个状态相距遥远,就好比一个通灵大师同时在纽约和喜马拉雅山现身,却做着完全不同的事情。这种同一个粒子同时存在两种完全相反状态并存的奇特状况,被称为有效的相干叠加态。

  在物质的微观世界是如此,由大量微观粒子组成的宏观世界是否也遵循量子叠加原理?量子力学的奠基人之一薛定谔为此在1935年提出著名的“薛定谔猫”佯谬。“薛定谔猫”佯谬假设了这样一种情况:将一只猫关在装有少量放射性原子和毒药的密闭容器里。放射性原子的衰变存在几率,如果发生衰变,会触发机关打碎装有毒药的瓶子,猫就会死;如果不发生衰变,猫就存活。根据量子力学理论,由于放射性原子处于衰变和没有衰变两种状态的叠加,猫就理应处于死猫和活猫的叠加状态。这只既死又活的猫就是所谓的“薛定谔猫”。

  既死又活的猫在现实世界是荒谬的,但随着量子力学的发展,科学家已先后通过各种方案获得了宏观量子叠加态,并力图使更多粒子构成的系统达到这种状态并保存更长时间。此前,美国和奥地利科学家分别宣布实现了6个和8个离子的“薛定谔猫”态,并且一直保持着这个记录。

  2004年,中国科学技术大学合肥微尺度物质科学国家实验室量子物理与量子信息研究部的研究人员曾在国际上首次成功实现5光子的“薛定谔猫”态。最近,该实验小组通过探索,实现了由5个光子极化状态和空间状态相干叠加形成的10个量子比特的“薛定谔猫”态,并在此基础上演示了“薛定谔猫”态在超精细位相测量方向的应用。

  该项研究成果已经发表在今年5月出版的国际权威杂志《自然?物理》上。审稿人认为,这是一个“实验杰作,在光学量子计算和量子度量学方面有着重要的意义”。

量子物理学引发奇谈怪论:薛定谔的猫(组图)

2010年03月07日 09:34 新京报

在量子世界当中,会出现“量子纠缠”、“平行宇宙”等神奇的状态。它们对当代的文学、哲学产生了重要影响。新京报制图/郭宇

“量子纠缠”示意图。当转动一个粒子,则与它处于纠缠状态的那个,也会相应转动。

著名剧集《星际迷航》中的“时空穿梭”过程,可以用“平行宇宙”理论来解释。

漫画家笔下的“薛定谔的猫”,猫真的会处于“既是活的,又是死的”状态吗?
  量子论被公认为是科学史上最成功的、被实验结果符合最好的理论,但另一方面,它却和人类日常生活的经验如此格格不入。

  如今,很多实验物理学家还在验证这一理论在80年前所做的基本假设。物理学家们依然还在为这个理论头疼不已。著名物理学家费曼就曾说:“我敢肯定,现在没有一个人能够懂得量子力学。”尽管已经走过百年历史,它还有无数的谜尚待解开。

  1

  微观与宏观,水火不兼容

  物理学家常常会说“传统物理学认为如何如何,量子物理学则认为如何如何”或者“客观现实中如何如何,但量子世界里却如何如何”这样的“鬼话”。量子物理学家告诉我们,物质在被测量之前是不确定的。“不确定性”是量子世界的基本法则。“观测”是在不确定的量子世界和确定的现实之间转化的关键。那么,神秘的量子世界和日常的现实世界到底能否兼容呢?在经典极限情况下,通过合理的近似,量子理论可以自动过渡到经典世界的物理理论。但如何描述这两个世界的交界面,成了量子论过不去的一个坎。直到现在,理论物理学家仍然未能将两者恰当地联系起来。

  “哥本哈根学派”认为,物质在被观测之前,是处于一种不确定的叠加态的。为了反驳这种观点,证实量子力学在宏观层面是不完整的,德国物理学家薛定谔设计出物理学史上最著名的动物:薛定谔的猫。

  这是一个思想实验:不透明的箱子里装着一只猫,箱子中另外还有一个原子衰变装置,原子会随机发生衰变,一旦衰变发生,就会激发一系列连锁反应,最终打破箱子里的毒气罐而毒死猫,反之猫则活。在打开箱子观测那一瞬间之前,原子的衰变和猫的死活都处于一种叠加态,只有当打开箱子的一刹那,猫的死活才确定下来。所以,在打开箱子之前,猫既是死的,又是活的。问题是,现实中的猫怎么可能是“既死又活”的呢?我们的常识中,猫要么是死的,要么是活的。量子论无法解释现实世界,这成了量子论无数个困惑之谜中最神秘的一点。

  “薛定谔的猫”出现之后,物理和哲学界就客观世界和人的意识的决定因素产生了一场大讨论:如果人的观测能决定猫的生死,那是否人的意识也会决定客观世界的走向呢?

  2

  同一个世界,很多个宇宙?

  “虽然我支持在无数个宇宙中存在着无数个Sheldon的‘平行宇宙理论’,我还是像你保证,没有任何一个宇宙中的我会和你跳舞。”《生活大爆炸》中,“宅男”Sheldon这么回复美女Penny的邀舞请求。

  为了解决与现实世界兼容的问题,无数物理学家尝试了各种理论,最著名的恐怕就是上世纪50年代兴起的“平行宇宙”(多世界理论)。

  支持这个理论的科学家认为,“薛定谔的猫”实验中,箱子在被打开观测之前,与其说猫处于一种既死又活的状态,不如说这只猫同时处于不同的“宇宙”中。有的“宇宙”中猫是活的,有的“宇宙”中猫是死的。听起来是不是很奇怪?但这个理论的确成功避开了很多问题,将微观和宏观世界联系在了一起。

  然而,即使到现在,这个理论依然如此前卫,令人无法理解。最近20年间,它才开始受到人们的关注,并成为量子力学的热门理论。霍金甚至将这一理论用到解释时空旅行中:因为平行宇宙的存在,时间线产生了分叉,出现了多重“历史”,人们因此可能可以进行时空旅行。这一解释也解决了此前人们在时空旅行中关于“杀死过去的我”的悖论。

  现在,“多世界理论”演化出的“时空穿梭”已经成为很多科幻作品中的主题。但这个理论完全是严格遵循数学方程演化得来的结果,其前提认为所有“宇宙”都包容在同一个“时空”中,而这个“时空”是多维度的,霍金所提出的进行“时空旅行”的“虫洞”目前只存在于理论层面,还没有任何物理证据证明其真实存在。

  3

  量子纠缠,挑战光速

  “量子纠缠”现象是说,一个粒子衰变成两个粒子,朝相反的两个方向飞去,同时会发生向左或向右的自旋。如果其中一个粒子发生“左旋”,则另一个必定发生“右旋”。两者保持总体守恒。也就是说,两个处于“纠缠态”的粒子,无论相隔多远,同时测量时都会“感知”对方的状态。那么,这两个粒子如何实现瞬间的沟通,这种感知是否是超光速的,这是否违背了相对论呢?

  在量子力学中,微观物质很可能的确展现出和日常生活中的常识相悖的情况。“在物理世界中,某些定义的速度是可以超越真空光速的,但是到目前为止,还没有一个可以让人信服的实验结果支持‘物理信号可以超越真空光速’这一论断。”中科院量子信息重点实验室副主任周正威强调。

  在现实世界中,不可能在人和石头之间建立某种感应,不经接触就令石头发生改变。但瞬间感应可能发生在量子世界中。爱因斯坦不满地将“量子纠缠”称为“遥远的鬼魅行为”。

  20世纪下半叶至今的各类实验中,不断有人证实各种超光速现象的出现。1982年,巴黎大学的物理学家证实,亚原子粒子在向相反方向发射后,在运动时依然可以彼此互通信息。2008年,日内瓦大学的物理学家再次进行类似实验。这次,两个相互感应的粒子距离超过17千米。奥地利科学家蔡林格(Anton Zeilinger)甚至在两个相距144千米的岛屿之间观测到光子的量子纠缠现象。

  尽管如此,依然没人能让物理信号超越光速。

  4

  量子论不是

  “绝对真理”

  量子论是20世纪出现的最成功的理论,它和相对论成为现代物理学的两大基石,但这两个基石之间却互不包容,又都不完整。相对论很好地解释了时空扭曲等问题,改变了人类的时空观;量子论的各种假设虽然不断被实验所证实,它或许也能帮助人类理解宇宙为何凭空而生,但却始终没法解释量子世界和宏观世界的交界面上所发生的一切。

  为了将量子论和相对论结合起来,理论界出现了如“量子引力”、“超弦”等更加复杂难懂的理论。可以肯定,如果将来出现一个能替代量子论的理论,它必定能首先解释,为什么现有的各种实验能够如此符合量子理论。

  费曼曾说,“我们要记住,或许有一天量子理论会被证明是失败的,因为它和我们日常的生活经验、哲学是如此地不同。”

  而理论物理学家曾谨言也在《物理》杂志所发表的《量子物理学百年回顾》一文中表达了他的看法:“迄今所有实验都肯定了量子力学的正确性,但这只表明:它在人类迄今实践所及的领域是正确的。量子力学并非绝对真理。量子力学并没有,也不可能关闭人们进一步认识自然界的道路。量子力学与广义相对论之间的矛盾并未解决。”
http://tech.sina.com.cn/d/2010-03-07/09343911021.shtml
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