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武汉物数所在实验验证海森堡不确定关系方面取得新进展
2016-10-26 | 编辑: | 【  】【打印】【关闭

  近日,中国科学院武汉物理与数学研究所冯芒研究员课题组与上海交通大学麻志浩教授、英国牛津大学Vedral教授合作,利用超冷离子实验平台验证了一个新型的海森堡不确定关系。相关研究成果发表在Science Advances《科学进展》(2016;2: e1600578 )。Science AdvancesScience目前的主干子刊,旨在快速发表自然科学领域具有原创性和突破性的研究成果。

  海森堡不确定关系对物理学的发展一直有着非常深远的影响。它给出了量子世界中测量精度所能达到的极限,而这个极限的具体形式和数值一直是物理界备受争论的焦点。最近,Busch、Lahti和Werner(BLW)等人提出并证明了一个真正反映出海森堡不确定关系原始思想的误差-扰动不等式。该工作将同时测量两个不可对易量的不确定性归结于测量结果几率分布的统计距离。因此这两个不可对易量的不确定性表征的是实施联合测量的仪器的不精确度,与具体量子态无关。 

  稳定束缚在电磁势阱中的超冷离子由于处于孤立的环境,而且量子态能被精确操控,一直是研究量子信息和量子物理基本问题的重要实验平台。研究团队的周飞、闫磊磊、龚诗杰等人通过精确操纵超冷的40Ca+ 离子的自旋态,细致分析了实验装置中影响自旋演化的各种因素和误差,最终确定了不确定关系的测量下限。由于实验操作的保真度达到99.8%,实验结果精确可信地验证了BLW理论所预言的误差-扰动不等式。这是第一次在一个纯粹的基本量子体系下实验观察到不确定关系的测量下限,其结果可为基于原子分子光物理的精密测量研究,如光学频率标准、基本物理常数测量等,提供误差的校准,也可为量子密钥分配中的信息安全性提供物理机制上的保障,还可为引力波测量等大尺度精密测量提供精度方面的参考。

  这项工作得到了三位审稿人的高度认可(Overall Evaluation: Excellent and Exciting),其中一份审稿意见中写道:“海森堡(以及其他对量子物理基础感兴趣的物理学家)如果能看到在这样确定性制备和高效读出的基本量子体系中来验证不确定关系会很开心的”。(Heisenberg (and other physicists interested in the foundations of quantum physics) would presumably have been delighted seeing such experiments where individual quantum system can be deterministically prepared and read-out with near unity detection efficiency.)

  该研究是在科技部国家重大科学研究计划“囚禁单原子(离子)与光耦合体系量子态的操控”和国家自然科学基金项目的支持下完成的。

  (左图)离子阱实验装置实物图;(右图)BLW 不等式的验证,其中带误差棒的黑点为实验数据,黑色实线为理论预言,红色虚线为不确定度的下限。 








 
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