如何用原子團(tuán)實(shí)現(xiàn)EPR佯謬呢？

1935年，愛(ài)因斯坦、波多爾斯基和羅森(EPR)提出一個(gè)論點(diǎn)，聲稱量子力學(xué)對(duì)實(shí)在性的描述不完整。該論點(diǎn)基于“局域?qū)嵲谛浴奔僭O(shè)。約翰·貝爾隨后提出了一種實(shí)驗(yàn)方案來(lái)檢驗(yàn)這些“局域?qū)嵲谛浴奔僭O(shè)，這些貝爾測(cè)試已經(jīng)在一些小的系統(tǒng)，例如電子或光子，否定了這個(gè)假設(shè)。現(xiàn)在，瑞士巴塞爾大學(xué)的Paolo Colciaghi及其同事在由數(shù)百個(gè)原子組成的更大的原子團(tuán)上檢驗(yàn)了EPR佯謬。

大多數(shù)貝爾測(cè)試是在成對(duì)的單粒子上進(jìn)行，而Colciaghi及其同事使用的是數(shù)百個(gè)銣-87原子構(gòu)成的原子團(tuán)。他們首先在勢(shì)阱中制備單個(gè)玻色—愛(ài)因斯坦凝聚體，然后調(diào)控相互作用使凝聚體內(nèi)的原子產(chǎn)生糾纏(如圖所示)。一旦從勢(shì)阱中釋放出來(lái)，凝聚體會(huì)膨脹形成兩團(tuán)相互糾纏的原子團(tuán)，相隔可達(dá)100μm。為了對(duì)佯謬開(kāi)展檢驗(yàn)，需要測(cè)量?jī)蓚€(gè)非對(duì)易可觀察量。Colciaghi及其同事沒(méi)有像EPR設(shè)想的那樣使用位置和動(dòng)量，而是使用“贗自旋”——一對(duì)量子態(tài)，它們像自旋一樣構(gòu)成了一個(gè)兩能級(jí)系統(tǒng)。這些“自旋”由兩個(gè)超精細(xì)能級(jí)定義，每個(gè)原子團(tuán)的自旋由一個(gè)能級(jí)的原子數(shù)減去另一個(gè)能級(jí)的原子數(shù)決定。

為了測(cè)量第一個(gè)非對(duì)易自旋可觀測(cè)值，直接計(jì)數(shù)每個(gè)能級(jí)中的原子?；パa(bǔ)的第二個(gè)自旋可觀測(cè)值是在計(jì)數(shù)之前使用一個(gè)與原子相互作用的脈沖來(lái)測(cè)量的。之前科學(xué)家已經(jīng)使用原子系綜進(jìn)行了EPR測(cè)試，但這里有一個(gè)重要的不同：在這個(gè)實(shí)驗(yàn)中，測(cè)量設(shè)置的選擇，意味著測(cè)量?jī)蓚€(gè)非對(duì)易自旋中的哪一個(gè)，是為每個(gè)原子團(tuán)獨(dú)立做出的。這種獨(dú)立性對(duì)于真正的EPR佯謬是必不可少的，沒(méi)有它，我們不能排除系統(tǒng)之間的影響。

Colciaghi及其同事使用由數(shù)百個(gè)銣-87原子組成的兩團(tuán)“贗自旋”對(duì)EPR佯謬進(jìn)行了檢驗(yàn)。當(dāng)原子以玻色—愛(ài)因斯坦凝聚體被囚禁時(shí)(左)，原子之間會(huì)發(fā)生相互作用，導(dǎo)致它們糾纏在一起(中)。當(dāng)凝聚體被釋放時(shí)，它形成了兩個(gè)獨(dú)立的原子團(tuán)，彼此之間的贗自旋糾纏在一起

Colciaghi及其同事通過(guò)確定從原子團(tuán)B的自旋測(cè)量中推斷原子團(tuán)A的自旋的誤差來(lái)探測(cè)EPR相關(guān)性，首先是在沒(méi)有脈沖時(shí)，然后是當(dāng)脈沖同時(shí)應(yīng)用于A和B時(shí)。雖然不為零，但這些誤差的乘積相對(duì)于實(shí)驗(yàn)中測(cè)得的海森伯不確定性乘積的下界較小。貝爾不等式被違反，因此佯謬得到證實(shí)。

然后，研究人員對(duì)他們的實(shí)驗(yàn)進(jìn)行了非常有啟發(fā)性的修改。1935年，薛定諤用他著名的處于疊加的貓態(tài)(薛定諤貓)的例子回應(yīng)了EPR的論點(diǎn)。鮮為人知的是他提出一種通過(guò)調(diào)整測(cè)量設(shè)置，同時(shí)測(cè)量?jī)蓚€(gè)互補(bǔ)變量，“一個(gè)通過(guò)直接測(cè)量，另一個(gè)通過(guò)間接測(cè)量?！毖Χㄖ@考慮過(guò)這種測(cè)量設(shè)置(當(dāng)設(shè)置固定但在測(cè)量最終確定之前)是否會(huì)影響兩個(gè)變量精確測(cè)量，他質(zhì)疑這種值的確定是否與量子力學(xué)兼容。Colciaghi及其同事通過(guò)操縱測(cè)量脈沖控制測(cè)量哪個(gè)自旋來(lái)創(chuàng)建了這樣一個(gè)場(chǎng)景：保持原子團(tuán)B的設(shè)置固定，他們改變?cè)訄F(tuán)A的設(shè)置。

研究人員表明，他們可以直接測(cè)量原子團(tuán)A的一個(gè)變量，同時(shí)從原子團(tuán)B上的測(cè)量間接推斷互補(bǔ)變量的值。此外，通過(guò)再次調(diào)整A的設(shè)置，他們展示了與原子團(tuán)A的相關(guān)性如何被B處的測(cè)量恢復(fù)。這說(shuō)明改變?cè)訄F(tuán)A的設(shè)置不會(huì)改變通過(guò)測(cè)量B對(duì)A處的互補(bǔ)變量做出的預(yù)測(cè)的正確性。這些實(shí)驗(yàn)的介觀特性似乎加強(qiáng)了薛定諤的論點(diǎn)：一旦測(cè)量設(shè)置確定，即使沒(méi)有最終測(cè)量，可觀測(cè)值將是固定的。

這些結(jié)果的含義還沒(méi)有徹底弄清楚。要確認(rèn)間接獲得的A處值，需要進(jìn)一步作用來(lái)更改設(shè)置，這意味著量子態(tài)會(huì)發(fā)生變化。因此，在測(cè)量之前確定兩個(gè)自旋值的說(shuō)法并不違反不確定性原理；貝爾定理也不排除這些值，該定理指的是在固定設(shè)置的相互作用之前定義的變量。這些問(wèn)題仍然懸而未決，很可能通過(guò)對(duì)最近的實(shí)驗(yàn)進(jìn)行更仔細(xì)地分析來(lái)闡明。

審核編輯：劉清