量子物理學中最大難題之一:如何在不改變量子系統的情況下測量?

2020-12-06 博科園
博科園：本文為量子物理學類

量子物理學很難解釋，薛丁格的貓在盒子裡，能不能看？看了它可能就死了或者活了，因為它在盒子裡即是死的也是活的，觀察者一看就會改變了狀態。廣島大學霍爾格·F·霍夫曼副教授和印度理工學院孟買分校卡蒂克·帕特卡爾試圖解決量子物理學中最大的難題之一：如何在不改變量子系統的情況下測量它？他們在發表《新物理學期刊》上新研究中發現：通過讀取從遠離系統本身的量子系統觀察到的信息，研究人員可以根據分析方法確定其狀態。

雖然分析完全從量子系統中移除，但通過仔細閱讀量子數據，可以恢復可能結果的初始疊加。通常情況下，通過尋找來尋找一些東西。但在這種情況下，觀察改變了物體，這是量子力學的問題。我們可以用複雜的數學來描述它，但是怎麼才能確定數學描述的是什麼呢？當我們測量一些東西時，會有一個權衡，它可能是什麼的其他可能性就會丟失。如果不進行相互作用，就無法了解任何事情，便會預先付出代價。

在帕特卡爾在廣島大學長達一個月的停留期間，兩位物理學家試圖想像測量系統而無需「付出代價」的方法，即保持系統的疊加或意味著系統可以存在於所有狀態。為了理解研究結果，霍夫曼用著名的薛丁格貓故事描述了發現：薛丁格的貓在盒子裡，科學家們不知道它是死是活。設置一個照相機，觀察從盒子外部位置拍攝照片的盒子。給貓拍的照片模糊不清，我們可以看到有一隻貓，但不知道它是死是活。

相機上的閃光燈也去掉了一個「量子標籤」，標記著貓的疊加。這張照片現在與貓的命運糾纏在一起，也就是說，可以通過以某種方式處理這張照片來決定貓發生了什麼。然後可以將照片從盒子中取出，並在計算機或暗室中進行處理。根據處理照片的方法，我們可以找出貓是活的還是死的，或者閃光燈對貓做了什麼，恢復量子標籤。讀者的選擇決定了我們對貓的了解。我們可以找出它是死的還是活的

（博科園圖示）由於框中的貓(左上角)處於疊加狀態，這意味著它可以處於許多不同的狀態(例如死的和/或活的)，並且用量子標籤來標記。貓的照片與盒子裡的情況糾纏在一起。我們可以通過以某種方式處理照片來決定貓的命運(左下角)，或者我們可以通過使用不同的過程來恢復量子標籤(右下角)來保持它的疊加。圖片：Associate Professor Holger F. Hofmann and Emma Buchet/Hiroshima University

或者恢復拍攝照片時移除的量子標籤，但不能同時恢復兩者。這只是在我們對量子力學理解上向前邁出的一步。今天，它的完全應用仍然局限於像量子計算機這樣的專家級系統，儘管它的一些方面也可以用於精確測量，以及使用量子密碼術進行安全通信。這是研究的一個關鍵部分，真的很想知道為什麼會有這種量子怪異，所以把重點放在測量上，因為這就是怪異的來源！

博科園｜研究/來自：廣島大學參考期刊《新物理學期刊》DOI: 10.1088/1367-2630/ab4451博科園｜科學、科技、科研、科普關注【博科園】看更多大美宇宙科學哦

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