我系李传锋研究组首次在宏观系统中实验探索量子与经典的界限

我系郭光灿院士领导的中科院量子信息重点实验室在毫米量级宏观系统中探索量子力学的边界问题,并在实验研究上取得重要进展。该实验室李传锋研究组采用固态量子存储器首次实现在毫米尺度下量子相干性的实验验证,证实可用来判断量子与经典界限的Leggett-Garg(LG)不等式被违背,为最终解决薛定谔猫佯谬并确定量子与经典的界限迈出坚实一步。研究成果发表在9月9日的《物理评论快报》上[Phys. Rev. Lett. 115, 113002 (2015)]。

量子力学极大促进了人类文明的进步,然而它的许多特性违背人们日常生活的直觉。“量子力学是普适的理论吗?它适用的边界在哪里?”这一终极问题自量子力学诞生之初就引起物理学界乃至哲学界的广泛的兴趣。1935年诞生了两个著名的佯谬,即爱因斯坦等人提出的EPR佯谬和薛定谔提出的薛定谔猫佯谬。其中EPR佯谬关注局域实在论与量子力学的矛盾,它可由Bell于1964年提出的关于复合物理系统的Bell不等式进行实验检验。薛定谔猫佯谬则关注宏观实在论和量子力学的矛盾,矛头直指量子力学的边界问题。根据量子力学,微观粒子可处于叠加态上,这与我们日常看到的宏观物体永远处于确定状态(即宏观实在论)的经验相矛盾。这一矛盾也与量子测量问题直接相关。彭罗斯提出的引力塌缩理论认为正是引力导致量子世界必定有边界,从根本上否定了宏观量子叠加态的存在。1985年Leggett与Garg提出了Leggett-Garg (LG)不等式希望能实验检验薛定谔猫佯谬。LG不等式研究单个物理系统演化的时间关联,量子力学和宏观实在论会给出相矛盾的结果。对LG不等式的实验检验可用于寻找量子与经典的界限,从而划定量子力学的适用范围,通俗的说就是回答薛定谔猫到底能有多大这一问题。

目前Bell不等式已经在世界范围内得到广泛的实验检验,学术界已基本认定局域实在论是有问题的。然而关于LG不等式的实验检验却举步维艰,原因出在LG不等式的假设上。原始的LG不等式基于两条假设,一条是宏观实在性描述,即系统总是处于宏观可区分状态中的一个;另一条是非破坏测量假设,即能够以不破坏系统状态及其后续演化的方式完成测量。其中非破坏测量假设饱受争议,它虽然符合人们日常生活的经验,但其正确性却无法进行实验检验。由此带来的后果是即便实验违背了LG不等式,我们依然没法判定是宏观实在性假设还是非破坏测量假设出了问题。2010年至今几个检验LG不等式的实验都存在这一明显不足, 并且这些实验都局限在微观系统中。

近来,德国的Huelga教授提出基于静态假设的新型LG不等式,可以避开非破坏性测量假设的困扰,由于静态假设的正确性可以独立检验,因此这个不等式的违背可以严格归因于宏观实在性描述的不正确性。李传锋小组与Huelga教授合作,在实验上验证了这个新型的LG不等式。

李传锋研究组建立了我国首个固态量子存储研究平台,并在国际上率先实现了光子偏振态的固态量子存储[PRL 108, 190505]、高维纠缠态的固态量子存储[PRL 115, 070502],存储器多项技术指标达世界最高水平。近来他们基于量子存储平台在国际上首次发展出一种全新的偏振依赖的原子频率梳技术,可以实现存储器集体激发模式精确可控的动力学演化。研究组基于窄带参量光技术制备了预报单光子,该单光子被送入两块空间分离2mm、厚度各为3mm的稀土掺杂晶体中,并激发出存储器集体激发模式的量子叠加态,其演化结果证实了对新型LG不等式的违背。LG不等式的违背直接证明了对宏观晶体内集体激发模式的宏观实在性描述不能成立,而量子力学的叠加态描述符合实验结果。

该工作首次在宏观系统中检验LG不等式,为宏观实在论的严格检验提供了切实可行的办法。在此工作的基础上如果能增多系统的粒子数(如本系统中集体激发的光子数),则预期LG不等式的违背会越来越小,当到达一定数目的时候将不再违背LG不等式,这一粒子数目就可以看成是量子与经典的界限(并且这一粒子数目很可能在不同大小的引力场中是不同的),由此我们就可以划定量子力学的适用范围,从而最终解决薛定谔猫佯谬问题。

该论文完成过程中得到诺贝尔奖得主Leggett、量子物理理论专家Brukner、Paternostro、Durr等人的交流指导。该工作自2012年取得初步实验结果,审稿过程历时三年半,期间两次重做实验,一次修正理论框架,前后送交9位审稿人,最终得到同行专家的认可发表。审稿人高度评价该成果:“该工作发展了全新的手段检验LG不等式。”(the experimental progress that has been made and the new approach to testing LGtI.);“这一工作超越了前面的工作,它既严格检验了静态假设,又观察了宏观空间尺度下的量子态演化。“(This work goes beyond previous work by both explicitly testing the stationarity assumption and by observing the evolution of a quantum state with a macroscopic spatial extent.) ”;“作者们报道了在两个宏观分离的晶体中存储的单个激发的演化违背了LG不等式,这个工作显然会引起广泛兴趣,因为它为探索量子与经典界限的广泛的努力做出了贡献。”(The authors report violation of a Leggett Garg type inequality for temporal quantum correlations with a single excitation stored in two macroscopically separated crystals via the AFC protocol. Such demonstrations are certainly of wide interest as they contribute to the wide effort to explore the crossover between the quantum and classical regimes.)

论文第一作者为周宗权博士,这项工作得到国家基金委、中科院、科技部和教育部的资助。


实验示意图,单个光子激发出两块晶体内集体激发模式的量子叠加态并随时间演化

编辑时间:2015-09-10