利用原子云愚弄海森堡不確定性原理

丹麥哥本哈根大學的科學家們親自動手，得到了與海森堡不確定性原理相關的一個挑戰的答案研究者們利用激光將銫原子與振動膜相聯繫。這一研究是同類中的首個研究，表明感測器能以看不見的精度測量位移。

當通過先進顯微鏡或者其他形式的特殊儀器測量量子層面的原子結構或者光輻射，由於一個問題的存在而變得特別複雜。這個問題在1920年代吸引了尼爾斯·玻爾和維爾納·海森堡的全部注意。這個處理在量子層面污染確定測量量的不準確性問題在海森堡不確定性原理中得到了描述，即粒子的完全狀態變數，比如速度和位置，絕無法被同時知道。

在近期的自然雜誌上的一篇科學報導中，哥本哈根大學尼爾斯·玻爾學院(NBI)的研究者證實海森堡不確定性原理可以在某種程度上被中和。此前這從未被演示過，這一成果可能啟發新型測量裝備和更好的感測器的研發。

credit: 煎蛋畫師Chon

尼爾斯·玻爾學院的量子光學帶頭人Eugene Polzik教授主導了這一研究，涉及振動膜的構建和原子云。

光「踢」物體

當通過激光操作顯微鏡進行觀測時，就會出現不確定性原理，這種觀測方式不可避免地導致物體會被光子踢走。由此物體就會以隨機的方式移動。這種現象被稱作量子反作用(QBA)，限制了量子層面進行測量的準確性。為了在NBI進行這類試驗，Polzik教授和他的合作者們利用特製的膜作為量子層面的觀測對象。

近幾十年中，科學家已經試著尋找「愚弄」海森堡不確定性原理的方式。Eugene Polzik和他的同事們幾年前提出了實現先進原子云的想法。先進原子云由1億個銫原子組成，這些原子被鎖在密封玻璃比色槽中，教授解釋道：「比色槽只有1厘米長，1/3毫米高，1/3毫米寬，為了使原子按照我們的意圖工作，比色槽內壁必須被塗上石蠟。我們在量子層面觀察膜的運動位移為0.5毫米，但在量子視角看來已經相當大了。」

玻璃比色槽背後的想法是要故意令用於研究膜運動的激光穿過密封原子云，然後再抵達膜，Eugene Polzik解釋道：「這就導致激光的光子踢動物體——膜以及原子云，可以說這些踢動就抵消掉了。這意味著不再有量子反作用，因此量子層面進行測量的準確性也就不再有限制。」

如何利用這個？

Eugene Polzik教授說道：「例如，可以用來研發新型更先進的分析運動的感測器。一般來講，在量子層面運作的感測器近年來受到了大量關注。一個例子就是支持此類研究的歐盟量子技術旗艦項目。」

另一方面，愚弄海森堡不確定性原理也許與更好理解引力波也有關聯。2015年9月，美國LIGO實驗首次檢測到兩個特大質量黑洞碰撞產生的引力波，但LIGO所用的儀器受到量子反作用的影響，NBI的這項新研究可能可以消除這個問題。

論文原文：nature.com/articles/doi:10.1038/nature22980

本文譯自 phys，由譯者 CliffBao 基於創作共用協議(BY-NC)發布。

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