Only Perception: 單一粒子的非定域性在無異議下被論證

2007-11-11

單一粒子的非定域性在無異議下被論證

Nonlocality of a Single Particle Demonstrated Without Objections
http://www.physorg.com/news113824784.html

November 09, 2007
By Lisa Zyga

當物理學家在量子力學中談到非定域性（nonlocality，非局域性）時，他們通常提到一個事實：二粒子能對彼此產生立即的影響，即使彼此之間距離很遙遠。對此，愛因斯坦說了一句名言：「幽靈般的遠距交互作用（spooky interaction at a distance）」，因為關於一粒子的資訊傳遞速度，看來好像比光速還快，違逆了因果律。

雖然「非定域性」這個想法違反了直覺，但它現在已獲物理學家廣泛地認可，儘管那幾乎都是針對雙粒子系統。到目前為止，沒有一項實驗足以證明單一粒子的非定域性，雖然相關解釋自 1991 年起就被提出（由 Tan, Walls, 與 Collett 起頭）。

自此之後，物理學家就開始激烈爭論該議題。在 1994 年，Lucien Hardy 針對 Tan, Walls, 與 Collett 的主張提出一項修正方案。然而，其他人（特別是 Greenberger, Horne, 與 Zeilinger）則反對 Hardy 的方案，宣稱那實際上是一種多粒子效應的偽裝，而且無法透過實驗證實。

現在，Leeds 大學的 Jacob Dunningham 與來自於 Leeds 大學和新加坡國立大學的 Vlatko Vedral 修正了 Hardy 的方案，並將其結果發表在最新一期 Physical Review Letters 期刊上。藉由排除所有非物理性輸入，他們的方案允許進行一個真正的實驗，並確保只有單一粒子展現非定域性。此外，Dunningham 與 Vedral 的方案，不僅適用於單一光子，也能適用於多個原子與一個有質量的（massive）粒子。

"這項研究最重要的地方是，它證實量子疊加（superposition）與量子糾結（entanglement）如何成為「相同的」謎，" Dunningham 解釋道。"費曼（Feynman）曾說過一句名言：疊加是量子力學中唯一的謎，但最近糾結已廣泛地被視為是量子物理學一種額外的基本特色。在此我們證明：它們是同一件事。"

在 Hardy 原本的方案中，一個光子與真空狀態（vacuum，指與外界隔絕的狀態）到達一個分光器（beam splitter，一種玻璃稜鏡可將光束一分為二）。二位觀察者，Alice 與 Bob，可選擇要測量一道光束或將她們的光束與一種同調光束結合，接將產生出來的光束以另一個分光器分離，然後測量二種輸出（即所謂的「零差偵測 (homodyne detection)」）。

Alice 與 Bob 的決定可導致 4 種可能的組合。第一，如果她們同時測量原始分光器所產生的光束，那麼只有其中一人可偵測到一個光子。如果 Alice 添加一個同調態（coherent state）到她的光束，而 Bob 測量其原本的分光光束時，Alice 有二種機會，在其分光光束的二個輸出（原圖 c1, d1），可以偵測到一個光子。Hardy 證明，如果 Alice 在 c1 偵測到一個光子，Bob 將無法偵測到光子；但如果 Alice 在 d1 偵測到一個光子，Bob 必定會偵測到一個光子。在第三種可能性中，Alice 與 Bob 的角色互換，具有相同的結果。

在第四種可能性中，Alice 與 Bob 都進行零差偵測。如果她們都在各自的 d 偵測器（即原圖 d1, d2）上偵測到粒子，那麼她們都能推斷另一個人必定偵測到來自於原光源的一個光子。這是個問題，因為她們無法都猜對 -- 因為這裡只有一個原始光子。

Hardy 爭論，當某人排除隱含的定域假設（implicit local assumption）時，即 Alice 的結果獨立於 Bob 的測量（反之亦然），這個方案證明了單一粒子的非定域性。與其說，某一觀察者的結果依賴另一人的測量，不如說是，因為某種非定域影響（nonlocal influence），第二位觀察者的測量是被第一位觀察者的測量所決定。

"如果我們只用古典物理學來嘗試與解釋這個實驗方案，結果將會是:不可能讓這四個被提出來的實驗的結果一致，" Vedral 說明。"實驗四的結果無法與其他一致。古典物理學假設粒子的存在獨立於我們對它的觀察（或測量），而且某人的測量亦無法影響一個在遠方的粒子。"

"例如，Alice 的作為均無法影響到 Bob 的粒子，" 他繼續說。"因為此方案的結果無法與古典物理學一致，我們必須要放棄其中一種假設。這表示，若我們想要維持，「真的存在獨立於我們的測量」這樣的觀點（例如，不管我們有沒有看月亮，它就在哪裡），我們將被迫承認這個世界是屬於非定域性。這也就是 Hardy 如何將其非定域性的論點立足於矛盾的結果上。"

然而，Greenberger, Horne, 與 Zeilinger 不同意 Hardy 的論點，他們指出，結合光子與真空無法產生一種可觀測的狀態，因而也無法在一個真實的實驗中辦到。他們甚至嘗試一種方案，那沒有使用這些所謂的「partlycle」疊加，卻發現整個系統接著會被證明是非定域性，讓它無法將非定域性歸因於單一粒子。

Dunningham 與 Vedral 的提議只對 Hardy 的方案進行幾個關鍵改變。首先，不使用同調態光子的與真空，相反的他們使用混合態 -- 一種混合的同調態，將所有粒子的相位平均。在此法下，他們並沒有違逆疊加法則，也因此避掉先前興起的異議。

接著，為了零差偵測，他們確保同調光束與原光束在結合時具有相同相位。具有同一種相位是關鍵，那確保 Alice 與 Bob 能一貫地比對她們的測量結果。同調態與單一粒子態只有古典主義上的關連。這表示，當 Alice 與 Bob 完成她們的零差偵測，而且其中一個偵測影響另一個時，非定域性必定源自於原來的單一粒子狀態。

因為主要的重點在於維持一種共同的平均相位（common average phase）-- 但不是特定相位 -- Dunningham 與 Vedral 的方案在原則上能在實驗室中完成。同樣地，研究者提議，藉由對原子與原子偵測器使用分束器（beam splitters），他們的方案除了無質量的光子外，理所當然地也能驗證單一有質量粒子的非定域性。

"此研究一個重要的未來是，證明這個實驗如何能被完成，而不會違反一票不滅疊加規則（conservation superselection rule），" Dunningham 說。"這相當重要，因為人們對於無質量（massless）粒子（如光子）通常樂意承認違逆，但對於有質量的（massive）粒子如原子，則不會。藉由一起避免這些違逆，我們證明這個被提議實驗的結果對於有無質量的粒子來說，應當都是相同的。"

科學家們注意到他們的結果與萊布尼茲（Leibniz，與牛頓同時發明微積分那位）的形而上學，不可區分之同一性（the identity of indiscernibles，http://plato.stanford.edu/entries/identity-indiscernible/），這個原則有個有趣對比。根據這個原則，一對糾結在一起的量子粒子，必定無法從單一粒子區別，因此二物體共有全部一樣的特性 -- 這只是這個原則的唯一規定（stipulation），無關數字。此處的單一態非定域性證明，加強了單一態與糾結態的等效 -- 賦予量子場論（quantum field theory）的地位更多信用，在此場為主，而粒子為客，是較接近現實的表述。

※ 建議先把下面這篇看過一遍，或許比較不會不知所云。

＊你抓得到我嗎──非０非１的量子資訊
http://www.nsc.gov.tw/_newfiles/popular_science.asp?add_year=2003&popsc_aid=2

＊ Nonlocality of a Single Particle
http://link.aps.org/abstract/PRL/v99/e180404