山西大學

激光光譜研究所肖艷紅教授研究團隊在量子精密測量方面取得重要進展

來源:激光光譜研究所　　作者：　　發布日期：2020-11-12

近日，我校激光光譜研究所肖艷紅教授研究團隊與我校申恒教授、丹麥奧胡斯大學克勞斯·莫爾莫(Klaus M?lmer)教授開展合作研究，證明了位置和動量的測量結果的不確定度可低于由著名海森堡不確定關系所設定的極限，研究結果以 “Retrodiction beyond the Heisenberg uncertainty relation”為題于2020年11月9日發表在《自然·通訊》（Nature Communications）上。論文的第一作者為我校包晗博士，共同通訊作者為肖艷紅教授、申恒教授和克勞斯·莫爾莫 (Klaus M?lmer)教授。

1927年，德國科學家維爾納·海森堡提出了不確定關系，指出精確確定一個粒子的位置和動量是有限制的。海森堡最早是通過思想實驗來論述的，設想用一個γ射線顯微鏡來觀察一個電子的坐標，因為γ射線顯微鏡的分辨本領受到波長λ的限制，所用光的波長λ越短，顯微鏡的分辨率越高，從而測定電子位置的不確定度就越小。但另一方面，光照射到電子，可以看成是光量子和電子的碰撞，波長λ越短，頻率越大，光量子的動量就越大。這種表述實際上導致了不確定關系與另一種類似的物理效應（稱為觀察者效應）的混淆。

同年，厄爾·肯納德給出了更加明確的表述，位置的不確定性與動量的不確定性是粒子的秉性，無法同時減小到低于某極限關系式，與測量無關。例如，對于一個粒子的位置x和動量p，它們的不確定度應當滿足。如果嘗試將粒子限制在更小的范圍內（減小），會不可避免地使增加，最后仍然要滿足海森堡不確定關系。

在近日發表的這項研究工作中，研究團隊使用一種全新的方法來繞開不確定關系的限制。根據合作團隊的描述，當討論量子力學的不確定性時，真正討論的不是粒子的位置和速度的概率分布，而是能夠多么準確地預測實驗結果。量子力學的波函數提供了獲得特定實驗結果的概率，并且很容易證明，位置和動量的測量結果的不確定度應當遵循海森堡不確定關系。然而，當我們考慮另外一種情形，也就是允許測量結束之后接著繼續獲取測量信息(稱為“回溯測量”)時，需要用克勞斯·莫爾莫提出的另一套理論【Phys. Rev. A 96, 062131 (2017)】來描述這種情況。此時，對于之前的位置或動量的測量結果的估計，其不確定度不受海森堡不確定關系的限制。肖艷紅教授研究團隊利用近室溫的銣原子蒸氣池進行了實驗研究，所獲得的和的乘積為，小于海森堡不確定關系中的，并且這個乘積在理論上沒有下限。本工作除了闡明量子力學的基本問題之外，所實現的實驗中不確定度的降低還可以應用于量子精密測量，例如突破標準量子極限的高靈敏度原子磁力計，該實驗結果由同一團隊在今年5月發表于《自然》雜志【Nature 581, 159 (2020)】。團隊成員還包括復旦大學物理學系博士研究生金沈超，段俊磊等。

圖：藍色和紅色曲線顯示了位置測量（水平方向）和動量測量（垂直方向）以及這兩個量的任意線性組合（其他方向）的測量方差。藍色曲線顯示基于傳統預測的結果，它遵循海森堡不確定度關系；因此，位置的方差被壓縮到0.5（標準量子極限）以下，但伴隨著動量不確定度的增加。紅色曲線顯示，當同時使用預測和回溯的測量結果時，對于位置和動量的測量結果的估計（以及它們的任何線性組合）方差可以都減小。

該項目受到國家科技部重點研發計劃、國家自然科學基金委“精密測量物理”重大研究計劃、山西大學量子光學與光量子器件國家重點實驗室、復旦大學應用表面物理國家重點實驗室、復旦大學微納光子結構教育部重點實驗室、極端光學省部協同創新中心（山西大學）等的資助。

論文鏈接：https://doi.org/10.1038/s41467-020-19495-1

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