違反常理的量子疊加態：不同時間「同時」存在的振動態

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量子力學違反直覺的一點在於，單一事件能夠以疊加狀態存在。這種疊加態非常脆弱，如果有關事件發生的地點、時間等任何信息洩漏到環境中，即便沒有人會真正去記錄這些信息，疊加態也會遭到破壞。然而，當疊加態真實產生時，它們會導致與經典物理學觀測不一致的觀測結果，讓我們對空間和時間的理解產生質疑。

sciencedaily.com網站當地時間12月21日報導，瑞士洛桑聯邦理工學院（EPFL）、美國麻省理工學院（MIT）和法國原子能委員會薩克萊核研究中心（CEAS）的研究人員證實了一種在兩個不同時間點同時存在的振動狀態，並通過測定與振動相互作用的光束之間最強的量子相關性，驗證了這種量子疊加態。相關研究成果刊登在《科學進展》雜誌中。

研究人員使用短雷射脈衝觸發了鑽石晶體內部特定的振動模式。每一對相鄰的原子像彈簧連接的質點一樣振動，這種振動在整個點亮區域是同步的。為了在此過程中節省能量，一種新色光發射並產生了光譜紅移。然而，實驗結果與經典場景產生了衝突。相反，光和振動都應該被描述為粒子或量子：光能被量子化為離散的光子，而振動能被量子化為離散的聲子。

因此，上述過程應該視作源自雷射的一個入射光子裂變成了光子-聲子對。這並非經典物理學的唯一缺陷。在量子力學中，粒子能夠以疊加態存在——正如著名的薛丁格的貓，可能「同時存活和死亡」。

更有悖常理的是，兩種粒子會產生糾纏，失去獨立性。由於兩種粒子都可以用共同的狀態（波函數）加以描述，它們之間的關聯性比經典物理中可能存在的關聯性更強。這可以通過恰當的測量方法來證明。如果結果違背了經典極限，就能肯定它們產生了糾纏。

在新研究中，研究人員設法使進入晶體的雷射光子裂分時產生的光子和聲子（即光和振動）糾纏在一起。為了完成這個「魔術」，科學家們設計了一組實驗，讓光子-聲子對能夠在兩個不同瞬間產生。經典情況下，粒子對在t1時間產生的概率為50%，或者在t2時間產生的概率也是50%。通過精心設計實驗，科學家們抹去了t1和t2的信息。量子力學預測聲子-光子對會糾纏在一起，並以t1和t2的疊加形式存在。

最終，測量結果完美證實了這一預測，實驗結果與經典概率理論不相容。通過建立光與振動的糾纏關係，研究人員在日常經驗與量子力學之間架設了一座橋梁。

科學家們預言，量子技術將掀起計算、通信和傳感等領域的技術革命。論文作者、EPFL量子與納米光學實驗室負責人Christophe Galland說：「量子技術依賴的量子效應非常脆弱，只能存在於高真空條件或極端低溫中。我們的研究表明，即便是普通材料，也能在環境條件下維持微妙的量子特性。當然，產生的量子關聯在僅僅4皮秒之後就消失了。這種超短時間尺度為超快量子技術的開發提供了啟示。在量子科學領域，科學家們的探索之路還很漫長。」

原創編譯：德克斯特 審稿：西莫 責編：陳之涵

期刊來源：《科學進展》

期刊編號：2375-2548

原文連結：https://www.sciencedaily.com/releases/2020/12/201221160511.htm

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