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量子叠加真实存在,科学家“拍摄”到了量子叠加态消失的过程

实验结果用动画GIF进行总结,该GIF显示了在百万分之一秒内离子的量子态发生了什么。通过三维坐标显示量子状态。条的高度指示可能的量子态的叠加程度。影片展示了在测量过程中某些重叠是如何丢失的,以及这种丢失是如何逐渐消失的,而其他的重叠则保留在理想的量子测量中。图片:F. Pokorny et al., "Tracking the dynamics of an ideal quantum measurement," Physical Review Letters 2020

测量量子系统会导致它发生变化,这是量子力学的奇怪但基本的方面之一。斯德哥尔摩大学的研究人员现在已经能够证明这种变化是如何发生的。研究结果发表在科学杂志《物理评论快报》上。

量子物理学描述了单个原子的内部世界,这个世界与我们的日常经验大不相同。量子力学的许多奇怪但基本的方面之一是观察者的角色-测量量子系统的状态会导致其发生变化。尽管理论中测量过程非常重要,但仍然存在未解决的问题:在测量过程中,量子态会立即崩溃吗?如果没有,那么测量过程将花费多少时间,并且在任何中间步骤中系统的量子状态是什么?

来自瑞典、德国和西班牙的研究人员的合作使用单个原子(电场中捕获的锶离子)回答了这些问题。对离子的测量仅持续百万分之一秒。通过制作由不同测量时间拍摄的照片组成的动画,他们表明状态的变化在测量影响下逐渐发生。

原子遵循量子力学定律,通常与我们的正常期望相矛盾。原子的内部量子态由围绕原子核旋转的电子的状态形成。电子可以在靠近或更远的轨道上绕原子核旋转。但是,量子力学也允许所谓的叠加态,在这种状态下,电子同时占据两个轨道,但每个轨道仅具有一定的概率。

“每当我们测量电子的轨道时,测量的答案将是电子处于较低或较高的轨道,而两者之间则永远不会有东西。这是正确的,即使初始量子态是两者的叠加也是如此。从某种意义上说,这种测量迫使电子决定它处于两种状态。”

动画显示了测量过程中的演变。单个图片显示断层扫描数据,其中条形的高度显示了仍保留的重叠程度。在测量过程中,某些叠加态会丢失,并且这种丢失是逐渐发生的,而其他的叠加态则会保留下来。

“这些发现为自然界的内部运作提供了新的思路,并且与现代量子物理学的预测相一致。”斯德哥尔摩研究小组负责人马库斯·亨里希(Markus Hennrich)说。

这些结果在基本量子理论之外也很重要。量子测量是量子计算机的重要组成部分。斯德哥尔摩大学的这个小组正在研究基于捕获的离子的计算机,在量子计算结束时,这些测量数据将被用于读出结果。

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