如何用原子團(tuán)實現(xiàn)EPR佯謬呢？

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

大多數(shù)貝爾測試是在成對的單粒子上進(jìn)行，而Colciaghi及其同事使用的是數(shù)百個銣-87原子構(gòu)成的原子團(tuán)。他們首先在勢阱中制備單個玻色—愛因斯坦凝聚體，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)。一旦從勢阱中釋放出來，凝聚體會膨脹形成兩團(tuán)相互糾纏的原子團(tuán)，相隔可達(dá)100μm。為了對佯謬開展檢驗，需要測量兩個非對易可觀察量。Colciaghi及其同事沒有像EPR設(shè)想的那樣使用位置和動量，而是使用“贗自旋”——一對量子態(tài)，它們像自旋一樣構(gòu)成了一個兩能級系統(tǒng)。這些“自旋”由兩個超精細(xì)能級定義，每個原子團(tuán)的自旋由一個能級的原子數(shù)減去另一個能級的原子數(shù)決定。

為了測量第一個非對易自旋可觀測值，直接計數(shù)每個能級中的原子。互補(bǔ)的第二個自旋可觀測值是在計數(shù)之前使用一個與原子相互作用的脈沖來測量的。之前科學(xué)家已經(jīng)使用原子系綜進(jìn)行了EPR測試，但這里有一個重要的不同：在這個實驗中，測量設(shè)置的選擇，意味著測量兩個非對易自旋中的哪一個，是為每個原子團(tuán)獨立做出的。這種獨立性對于真正的EPR佯謬是必不可少的，沒有它，我們不能排除系統(tǒng)之間的影響。

Colciaghi及其同事使用由數(shù)百個銣-87原子組成的兩團(tuán)“贗自旋”對EPR佯謬進(jìn)行了檢驗。當(dāng)原子以玻色—愛因斯坦凝聚體被囚禁時(左)，原子之間會發(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，它形成了兩個獨立的原子團(tuán)，彼此之間的贗自旋糾纏在一起

Colciaghi及其同事通過確定從原子團(tuán)B的自旋測量中推斷原子團(tuán)A的自旋的誤差來探測EPR相關(guān)性，首先是在沒有脈沖時，然后是當(dāng)脈沖同時應(yīng)用于A和B時。雖然不為零，但這些誤差的乘積相對于實驗中測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。

然后，研究人員對他們的實驗進(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。鮮為人知的是他提出一種通過調(diào)整測量設(shè)置，同時測量兩個互補(bǔ)變量，“一個通過直接測量，另一個通過間接測量?！毖Χㄖ@考慮過這種測量設(shè)置(當(dāng)設(shè)置固定但在測量最終確定之前)是否會影響兩個變量精確測量，他質(zhì)疑這種值的確定是否與量子力學(xué)兼容。Colciaghi及其同事通過操縱測量脈沖控制測量哪個自旋來創(chuàng)建了這樣一個場景：保持原子團(tuán)B的設(shè)置固定，他們改變原子團(tuán)A的設(shè)置。

研究人員表明，他們可以直接測量原子團(tuán)A的一個變量，同時從原子團(tuán)B上的測量間接推斷互補(bǔ)變量的值。此外，通過再次調(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處的測量恢復(fù)。這說明改變原子團(tuán)A的設(shè)置不會改變通過測量B對A處的互補(bǔ)變量做出的預(yù)測的正確性。這些實驗的介觀特性似乎加強(qiáng)了薛定諤的論點：一旦測量設(shè)置確定，即使沒有最終測量，可觀測值將是固定的。

這些結(jié)果的含義還沒有徹底弄清楚。要確認(rèn)間接獲得的A處值，需要進(jìn)一步作用來更改設(shè)置，這意味著量子態(tài)會發(fā)生變化。因此，在測量之前確定兩個自旋值的說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。這些問題仍然懸而未決，很可能通過對最近的實驗進(jìn)行更仔細(xì)地分析來闡明。

審核編輯：劉清