Only Perception: 全世界最小的雙狹縫實驗

2007-11-10

全世界最小的雙狹縫實驗

The world's smallest double slit experiment
http://www.physorg.com/news113822439.html

November 09, 2007

古典物理學的大世界幾乎都看起來合情合理：波就是波、粒子就是粒子，月亮總會升起，不管有沒有人在看它。但微小的量子世界不一樣：粒子是波（反之亦然），且量子系統能存在於多重可能的狀態中，直到它們被測量 -- 這等同來於自大世界觀察者的打擾 -- 並被迫選擇：如某電子精確的位置或動量。

在何種尺度下，量子世界與古典世界開始彼此跨越呢？「觀察者」要多大？這些是基礎科學在興趣上爭論已久的問題，在實際上也相當重要，對於建構固態量子電腦的企圖意義深長。

美國能源部勞倫斯柏克萊國家實驗室（LBNL）的研究者及其在德國法蘭克福大學、堪薩斯州立大學與 Auburn 大學的同事現在確立，量子粒子在一個氫分子這麼小的尺度下，開始以古典方式表現。當他們完成他們所謂世界上最簡單的 -- 而且毫無疑問也是世上最小的 -- 雙狹縫實驗後，他們得到這項結論。這個實驗使用氫分子的二個質子原子核當作雙「狹縫」，距離只有 1.4 atomic units（小於百億分之一公尺）。他們的結果刊載於 2007 年11 月 9 日當期的 Science 上。

雙狹縫實驗（以下節譯，附圖詳見原站）

實驗領導者之一的 Ali Belkacem 表示，探索量子世界最簡單的方式就是雙狹縫實驗。那麼光是粒子或是波呢？早期雙狹縫實驗含糊不清的結果（第一筆記錄是 1801 年）並沒有讓人滿意地解決此問題，直到 20 世紀，當實驗與量子力學的理論都更清楚時，才知道光同時是波與粒子 -- 此外，粒子，包括電子，也有波的天性。

另一位實驗領導者 Thorsten Weber 表示，就是電子本性中的波，讓它們在氫分子中以一種相關連的方式作用。當二粒子都是同一量子系統的一部份時，它們的互動不受電磁學或重力的限制。它們也擁有所謂的量子同調性（quantum coherence，量子相干性）-- 它們非定域性（nonlocally，非局域性）地分享與它們狀態的相關資訊，即便被分離至任意距離也一樣。

二個電子之間的相關性，正使得氫分子的雙光電游離（photoionization）成為可能。光電游離意指一個充滿能量的光子，在本例中是 X 光，把電子從一個原子或分子撞飛，讓系統具有淨電荷（離子化）；在雙光電游離中，單一光子引起二個電子的放射。

Weber 解釋，光子只擊中一個電子，不過因為它們具有相關性（在量子的意義上是指它們同調），所以當一個電子被擊中時，它會往一個方向飛離，具有某種動量，而另一個電子也會以特定角度飛離，且動量與前者不同。

Belkacem 與 Weber 等人所使用的實驗設置可移動，並利用柏克萊實驗室先進光源（ALS）的 beamlines 4.0 與 11.0。在裝置中，一道氫氣被送往互動區域，在那裡有某些分子被 ALS 的 x 光光束擊中。當二個帶負電的電子被踢出分子時，二個帶正電的質子（氫原子核）因相斥而分離。在該實驗互動區域的電場，將正、負粒子分離，將質子送往一個偵測器，電子則往相反方向送去。

Belkacem 說這就是所謂的力學完備實驗（kinematically complete experiment），也就是說在其中的每個粒子都有解釋到。他們可以偵測所有粒子的動量、二質子的最初方向與之間的距離，還有電子的動量。

這個最簡單的雙狹縫實驗揭露了什麼？

Weber 說，在光電游離之後他們最常觀察到一個較快，另一個較慢的電子，不過他們感興趣的是干涉圖案。

若將它視為粒子，電子以某一角度飛離另一個，端賴它們能量以及如何從氫原子核（雙狹縫）散射。若視為波，則電子會造成干涉圖案，可藉由計算電子在某一給定的、相對於二個原子核方向的區域中被發現的機率而瞧見。

電子波的本質意指，在雙狹縫實驗中即使是單一電子都能與自己產生干涉。光電游離之氫分子的雙狹縫實驗，起先只有較快的電子顯示自我干涉圖案，它們的波跳離（bouncing off）兩個質子，較慢的電子就沒啥活動。

Weber 說，從這些圖案來看，較慢的電子似乎不重要，雙光電游離相當普通。較快電子的能量是 185 到 190 eV，較慢的不到 5 eV。但如果較慢的電子給予較多能量，如 5 到 25 eV 之間呢？如同 Weber 所說，如果我們讓較慢的電子更活躍一點會怎樣？如果我們將它轉變成一位「觀察者」又會怎樣？

只要兩個電子從它們周遭被孤立，一如較快電子的波狀干涉圖案所顯示的，量子同調就會勝出。不過當較慢的電子被改造成較快那一個的觀察者後（換言之，較大環境的替身），這個干涉圖案就會消失：較快電子的量子系統現在與大世界起交互作用（例如它鄰近的粒子，那個較慢的電子）而且開始走調（decohere）。於是整個系統就進入古典物理的領土。

然而，事情還沒完哩。這裡就是 Belkacem 所謂的「實驗要點」：即使干涉圖案已經消失，我們依然見到同調仍存在那裡，隱藏在二電子之間的糾結中。

雖然其中一個電子已與其所在環境有所糾結，不過這二個電子仍以某種方式糾結在一起，這讓它們之間的干涉得以重建，只要從電子被轟出的角度圖解它們的相關動量（correlated momenta）即可。二個波形會出現在圖解中，任一都可以被投射來顯示干涉圖案。不過這二個波形彼此不同相（out of phase）：能同時被看見，干涉突然消失。

若此雙電子系統被劃分成其子系統，而且其中一個（觀察者）被當成另一個（電子）的環境來考慮，這就變得很明顯，古典的特性，如同調消失，就會浮現，即便只有 4 個粒子（二個電子、二個質子）涉入。然而因為雙電子子系統以一種容易處理的方式糾結，它們的量子同調性可以重建。Weber 稱此是「粒子間，哪種資訊交換方式」的固執。

Belkacem 說，對想嘗試建造固態量子電腦的研究者而言，這是個好消息與壞消息。壞消息是走調（decoherence）與資訊喪失在非常細小的單一氫分子尺度下發生。好消息是，理論上來說，資訊不必然會喪失，或至少不會全然喪失。

※ 相關報導：

＊ The Simplest Double Slit: Interference and Entanglement in Double Photoionization of H2
http://www.sciencemag.org/cgi/content/abstract/318/5852/949

D. Akoury, K. Kreidi, T. Jahnke, Th. Weber, A. Staudte,
M. Schoffler, N. Neumann, J. Titze, L. Ph. H. Schmidt,
A. Czasch, O. Jagutzki, R. A. Costa Fraga, R. E. Grisenti,
R. Diez Muino, N. A. Cherepkov, S. K. Semenov, P. Ranitovic,
C. L. Cocke, T. Osipov, H. Adaniya, J. C. Thompson,
M. H. Prior, A. Belkacem, A. L. Landers, H. Schmidt-Bocking,
R. Dorner1
Science 9 November 2007: Vol. 318. no. 5852, pp. 949 - 952
DOI: 10.1126/science.1144959