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這項太空量子實驗表明,現實也許只是你的幻想!
2023/03/24

量子力學是一門研究微觀世界的物理學分支,它揭示了許多奇異而違反直覺的現象。其中之一就是光的雙重性(波粒二象性),即光既可以表現為粒子,也可以表現為波。這取決于我們如何觀測它。

上圖是波粒二象性的說明,因為它與德布羅意的假設和海森堡的不確定性原理有關,在一維品質的無自旋粒子的位置和動量空間波函數方面。這些波函數是彼此的 傅里葉變換。

但是,這種選擇并不是事先確定的,而是可以在光完成其大部分行程之后再做出。這就意味著我們對現實的決定會影響過去發生的事情。這種延遲選擇實驗可能有助于探索量子理論和相對論之間模糊的邊界。

近日,一個國際團隊利用意大利南部馬泰拉激光測距天文台(Matera Laser Ranging Observatory)的1.5米望遠鏡向千公里外的衛星反射光子,進行了一次空間量子實驗,證實了這種令人驚訝的效應。該實驗首次展示了光子在數千公里距離上仍然保持其未定義的本質。

Mach–Zehnder 干涉儀經常用于空氣動力學、等離子體物理學和傳熱領域,以測量氣體的壓力、密度和溫度變化。在此圖中,我們想象分析蠟燭火焰。可以監視任一輸出圖像。

該實驗基于1970年代后期著名理論物理學家約翰·阿奇博爾德·惠勒(John Archibald Wheeler)提出的一個思想實驗。惠勒設想將單個光子發送到一個強調光波性質的裝置中,稱為馬赫-澤德爾干涉儀(Mach-Zehnder interferometer)。

在 Mach-Zehnder 干涉儀中使用擴展源時產生的局部條紋。通過適當調整反射鏡和分束器,可以將條紋定位在任何需要的平面上。

該裝置使用一個類似鏡子的「分束器」將進入的光子量子波分成兩半,并沿著不同路徑傳播,就像人們沿著街區相反方向行走一樣。然后第二個分束器重新合并兩個波,在合并處產生干涉效應,并將光子引向一對探測器中的一個。哪個探測器被觸發取決于兩條路徑長度之差,這符合干涉波的預期。

樣品對馬赫-曾德爾干涉儀輸出光束相位的影響

如果移除第二個分束器,則干涉變得不可能。相反,第一個分束器將光子沿著一條或另一條路徑發送出去,就像粒子一樣。由于兩條路徑在第二個分束器原本所在位置交叉,在那里探測器無論如何都有相等機率被點擊。

惠勒意識到,實驗者甚至可以等到光子通過第一個分束器之后再移除第二個分束器。這種說法暗示了一個奇怪的事情——現在做出決定會影響過去發生事件:即光子是否像波一樣分裂或者像粒子一樣走一條路線。量子理論通過假設,在被測量之前,光子既是粒子又是波來避開這個問題。

意大利帕多瓦大學(University of Padua)Francesco Vedovato和Paolo Villoresi領導下團隊進行了該思想實驗,將光子的兩條路徑延長到數千公里。他們使用望遠鏡向衛星發射激光脈沖,并從衛星反射回來的光子中篩選出單個光子。

惠勒在太空中的延遲選擇實驗的圖解

光子波包進入干涉儀的第一個BS,干涉儀在太空中沿著數千公里延伸。干涉儀可以根據兩種配置隨機排列,這些配置對應于位于地球上的第二個BS(輸入/輸出BS)的存在與否。按照惠勒的想法,當光子已經進入干涉儀時,進行配置選擇。在我們的實際實現中,干涉儀在地面開始和結束,一直延伸到目標衛星,在地面上進行的測量選擇是空間狀,與衛星的光子反射分離。

在這個過程中,他們相當于制造了一個巨大的馬赫-澤德爾干涉儀,其中第一個分束器是望遠鏡,第二個分束器是衛星上的反射器。他們通過調整望遠鏡和衛星之間的距離來改變兩條路徑的長度差,并通過控制衛星上反射器的角度來決定是否移除第二個分束器。

實驗結果顯示,當第二個分束器存在時,探測器之間觀察到了干涉模式;當第二個分束器不存在時,則沒有觀察到干涉模式。這與惠勒的預測一致,表明光子在被測量之前既不是粒子也不是波。更重要的是,實驗者在光子通過望遠鏡之后才做出是否移除第二個分束器的選擇,這意味著他們對現實的選擇會影響過去發生事件。

實驗設置和檢測直方圖的方案

在插圖中,顯示了提取位的 1-s 樣本。在MZI輸出端,兩個波片,一個PBS和兩個單光子探測器(SPD)在{|+〉,|−〉}的基礎上進行偏振測量。根據隨機位的值b,執行干擾或路徑測量,如Starlette衛星通過的檢測直方圖所示。正如預期的那樣,左側直方圖中央峰中的計數與右側直方圖上與側峰相關的計數總和相當。

這種延遲選擇實驗并不真正違反因果律,因為實驗者無法用這種方法傳遞信息。但它確實揭示了量子力學和經典物理學之間存在著根本性的區別。經典物理學認為現實是客觀存在且獨立于觀察者的;而量子力學認為現實是主觀構建且依賴于觀察者的。

空間量子實驗還有其他潛在應用。例如,它可以用來測試量子糾纏,在這種現象中,兩個或多個粒子可以相互影響即使相隔很遠。它也可以用來測試量子力學和廣義相對論之間可能存在的沖突或修正。

總而言之,空間量子實驗在一定程度上證實了現實是人主觀所選擇的,并展示了利用太空平台進行高精度量子物理研究和技術開發的可能性,這對人類的科學發展來說是意義非凡的。


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