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撰文：喬治•C•尼（日本NTT基礎研究實驗室）

翻譯：丁家琦；審校：蔣泱帥

通過測量一個原子在光學晶格中的行走，可以檢驗量子力學中的一條重要原理。

圖片來源：APS/Alan Stonebraker

日常經驗告訴我們，像雞蛋或是人類這樣的大型物體并不會像電子一樣表現出量子疊加態。這是否意味著，量子物理學對大于某一個特定尺寸的物體基本不適用呢？近日，來自德國波恩大學（University of Bonn）的卡斯滕•羅本斯（CarstenRobens）與同事們設計了一項新的實驗，可以追蹤一個大原子在光學晶格中的運動，從而找到區分宏觀與量子世界的臨界尺寸。他們讓一個銫原子進行完全非經典的運動，以量子疊加態的方式移動，因此它可以同時占據不止一個位置。之前也有人觀察到更大的物體具有內在的量子特性，但羅本斯他們的觀測標準更為嚴格，幾乎是確認疊加態是否存在的“黃金標準”。也正因為如此，他們的實驗限制了那些試圖取代量子力學的理論的發展。此外，他們的方法也可以用來在更加宏觀的尺度上檢驗態疊加原理，比如更大的原子、或是分子。

為了檢驗某一個粒子是否處在量子疊加態之中，大多數實驗都會尋找是否有干涉存在的跡象。最經典的實驗就是讓一個電子穿過一對狹縫：如果出現干涉條紋，就說明這些基本粒子遵循量子力學，有波動性質。然而，盡管這些實驗的結果與量子力學的預測相一致，它們也并不是萬無一失的檢驗方法，因為仍然存在一種經典的解釋：說不定這些電子確實只是一個一個地過了這個或者那個狹縫，而并沒有像量子力學描述的那樣，同時穿過了兩個狹縫呢？

1985年，安東尼•萊格特（Anthony Leggett）與阿努帕姆•加格（AnupamGarg）發表了一篇理論性的論文，提出了一條完全不同的解決途徑：與其嘗試“驗證”量子理論，不如設法證明量子理論以外的所有解釋都與實驗觀測相矛盾，因而排除它們。他們定義了一種觀點，叫做“宏觀實在論”（macrorealism），包含兩個與量子理論相悖的假設：第一，足夠大的物體在同一時間只能在同一個位置（即宏觀疊加態不可能存在）；第二，我們可以準確測定這一物體的位置，而不會干擾它。萊格特與加格證明，如果宏觀實在論是正確的，在不同時刻對同一物體的測量只能在一定程度上具有統計學的相關性，并在數學上用以他們的名字命名的“萊格特-加格不等式”（Leggett-Garg inequality）加以表達。而如果實驗結果違反了這一不等式，就能清楚證明宏觀實在論是錯誤的。他們的理論工作激發了一系列對于光子、核自旋，以及超導電流的實驗驗證。

與早先檢驗萊格特-加格不等式的實驗相比，羅本斯他們的實驗所用的銫原子是最大的量子物體，并已經過萊格特-加格不等式的驗證，而且他們使用了“零點測量”（null measurement）的方法。這是一種“無創”的方法，能以最高的精度驗證這一不等式是否成立。在實驗中，一個銫原子在兩道電場極化方向相反的光學駐波之間運動，實驗人員在不同的時刻多次測量這個原子的位置。兩道駐波可以被看作是兩個一維的蛋托，它們互相重疊，一條為紅色，一條為藍色（如圖1）。而實驗內容，就是測量不同時間點之間原子位置的相關性。羅本斯他們首先將原子放置在兩個內部超精細的自旋疊加態上，這相當于把它同時放在兩個蛋托上。然后，研究人員拉動兩個光學波，讓它們相向運動，原子就會被“抹開”一段約2毫米的距離，這一運動稱為“量子行走”（quantum walk）。最后，研究人員用光來激發這個原子，使它發出熒光并測量出它的單一位置。已知原子的初始位置，他們可以算出原子平均往左移動了還是往右移動了。不斷重復這一實驗，他們就能得到不同時刻原子位置之間的相關性，從而檢驗萊格特-加格不等式。

按照宏觀決定論的思想，原子從未處于疊加態之中，在任一給定的時刻，它要么在這個蛋托中，要么在那個蛋托中。宏觀決定論的支持者可能還會辯解說，熒光測量會對之后的測量產生影響。因此，羅本斯及其同事按照萊格特和加格的最初設想，在實驗的中間階段使用了“零點測量”的手段。簡單來講，零點測量就是能測量原子位置、又不直接與原子發生作用的測量方法。為了實現這一目的，研究人員將其中一道駐波（或者蛋托）移動了很長一段距離。我們就假設他們將紅色的蛋托移走了。如果在熒光測量時看不到原子發出的熒光，我們就知道原子原本在紅色的蛋托里，在蛋托被抽走時受到了強烈的影響，現在被移到了遠處。而重復測量時，有時候會發現原子會發出熒光，這則表明原子原先在藍色的蛋托里，并沒有被移走，從而受光激發了，而且抽走紅色蛋托這一過程并未干預藍色蛋托以及原子本身的狀態。

如果宏觀決定論是對的，那么零點測量就不會影響最終的熒光測量結果，因而不同時刻原子位置的相關性在不用量子力學的情況下也應該能完全解釋。然而，如果使用量子理論，當蛋托被抽出，原子被“抹開”的時候，它就不再有確定的位置——這正是量子力學的關鍵所在。因此即便是零點測量，也產生了效應，原子被“抹開”導致總的相關性會比宏觀決定論所預測的要更大，這正是違反萊格特-加格不等式在數學上導出的事實。羅本斯及其同事正是發現了這一效應，意味著宏觀決定不適用于該實驗下的銫原子。

量子革命已經過去了快一個世紀，讓人有些吃驚的是，物理學家們還在努力證明態疊加的存在性。而理論物理學的未來正是這些嘗試的真正推動力。一些剛剛萌芽的宏觀實在理論，或許可以通過設定量子與經典之間的界限，從而代替量子力學，成為更高一級的理論。羅本斯的實驗告訴我們，銫原子仍然表現出波的性質，說明這一界限不可能比銫原子的量級更小。但它又能有多大呢？2013年4月發表的一篇概要（http://physics.aps.org/synopsis-for/10.1103/PhysRevLett.110.160403）通過理論計算，將銫原子的“宏觀程度”定為6.8，大于另一個通過零點測量檢驗過的物體（硅中的磷雜質），但遠遠低于大多數人所認為的界限值。（薛定諤之貓的“宏觀程度”為57。）實際上，通過物質波干涉實驗已經能看到“巴克敏斯特富勒烯”（Buckminsterfullerene）的干涉條紋，而該分子的宏觀度為12。在我看來，跟巴克敏斯特富勒烯相比，我們還是對銫原子的量子性把握更大，畢竟羅本斯他們通過零點測量完全排除了宏觀實在論的可能性。而下一步，就是利用這些實驗通過疊加更長的時間、隔開更遠的距離來檢驗更大的分子。這會將“宏觀”的極限推得更遠，也會發現更多量子世界與宏觀世界之間的聯系，以及這些聯系背后隱藏著的本質。

原文發表于《物理》（APS Physics），文章所提到的主要研究發表于《物理評論X》（Physical Review X）。

參考文獻：

1.CarstenRobens, Wolfgang Alt, Dieter Meschede, Clive Emary, and Andrea Alberti, “Ideal Negative Measurements in Quantum Walks Disprove Theories Based on Classical Trajectories,” Phys. Rev. X 5, 011003 (2015).

2.A. J. Leggett and A. Garg, “Quantum Mechanics Versus Macroscopic Realism: Is the Flux There When Nobody Looks?,” Phys. Rev. Lett. 54, 857 (1985).

3.C. Emary, N. Lambert, and F. Nori, “Leggett-Garg Inequalities,” Rep. Prog. Phys. 77, 016001 (2014).

4.M. E. Goggin, M. P. Almeida, M. Barbieri, B. P. Lanyon, J. L. O’Brien, A. G. White, and G. J. Pryde, “Violation of the Leggett-Garg Inequality with Weak Measurements of Photons,” Proc. Natl. Acad. Sci. 108, 1256 (2011).

5.G. C. Knee et al., “Violation of a Leggett-Garg Inequality with Ideal Non-Invasive Measurements,” Nature Commun. 3, 606 (2012).

6.G. Waldherr, P. Neumann, S. F. Huelga, F. Jelezko, and J. Wrachtrup, “Violation of a Temporal Bell Inequality for Single Spins in a Diamond Defect Center,” Phys. Rev. Lett. 107, 090401 (2011).

7.A. Palacios-Laloy, F. Mallet, F. Nguyen, P. Bertet, D. Vion, D. Esteve, and A. N. Korotkov, “Experimental Violation of a Bell’s Inequality in Time with Weak Measurement,” Nature Phys. 6, 442 (2010).

8.S. Nimmrichter and K. Hornberger, “Macroscopicity of Mechanical Quantum Superposition States,” Phys. Rev. Lett. 110, 160403 (2013).

9.K. Hornberger, S. Gerlich, H. Ulbricht, L. Hackermüller, S. Nimmrichter, I. V. Goldt, O. Boltalina, and M. Arndt, “Theory and Experimental Verification of Kapitza–Dirac–Talbot–Lau Interferometry,” New J. Phys. 11, 043032 (2009).

（來源：環球科學）

中科院物理所 2015-08-23 08:46:00