2013-03-05

迴避「不確定性原理」:物理學家首度直接測量光的偏振態

Getting around the 'uncertainty principle': Physicists make first direct measurements of polarization states of light
http://phys.org/news/2013-03-uncertainty-principle-physicists-polarization-states.html

March 3, 2013

Rochester 大學與 Ottawa 大學的研究者應用一種最近發展出來的技術,首次直接測量光的偏振態。他們的研究克服 Heisenberg(海森堡、海森柏格)知名的「不確定性原理(Uncertainty Principle)」(即測不準原理)中某些重要的挑戰,而那也適用於 qubits(量子位元)-- 量子資訊理論的基石。

他們將其研究結果發表在本週出版的 Nature Photonics 上。

這種直接測量技術率先由加拿大 National Research Council 的科學家於 2011 年開發出來,用以測量波函數(wavefunction) -- 測定量子系統狀態的方法之一。

像這樣的波函數直接測量,因為不確定性原理的一項關鍵信條,長久以來被視為不可能的任務:一量子系統的某些特性,在某些其他相關特性精確得知的情況下,只能大略獲知。能直接進行這些測量,挑戰了這個想法:對一量子系統的完整了解,不曾來自於直接觀測。

Rochester/Ottawa 研究者(由 Robert Boyd 所領導,其同時獲兩校聘用),測量光的偏振態(polarization states of light)-- 光之電場與磁場振盪的方向。他們的關鍵結果 -- 一如那個在直接測量中領先的團隊那樣 -- 是,要直接測量一量子粒子或狀態的關鍵相關變數,稱為「共軛變量(conjugate variables)」是可能的。光的偏振態能用來將資訊編碼,這也是為何它們能成為量子資訊應用中,qubits 的基礎。

"進行量子波函數直接測量的能力,對於量子資訊科學的未來有著重要的影響," Boyd 解釋,Ottawa 大學的量子非線性光學加拿大卓越研究講座(CERC)以及 Rochester 大學的光學與物理學教授。"我們小組裡正持續進行的研究涉及將這種技術應用到其他系統中,例如,測量「混合(mixed)」(相對於「純/pure」)量子態的形態。"

先前,一種稱為「量子層析(quantum tomography)」的技術,允許研究者測量包含在這些量子態中的資訊,不過那只能透過非直接的方式。量子層析需要密集的資料後處理,而且是一種很耗時的過程,那在直接測量技術中是不必要的。所以,原則上,這種新技術能提供的資訊與量子層析一樣,但所耗費的時間明顯少了許多。

"要特徵化任何量子系統的關鍵在於,取得有關共軛變量的資訊," 共同作者 Jonathan Leach 表示,其目前為英國 Heriot-Watt 大學的講師。"直接測量二個共軛變量,之所以被視為不可行的原因是:對其中一種特性進行測量時,將會在另一種被測得之前先摧毀波函數。"

直接測量技術利用了某種「訣竅」來測量第一種特性,那不會使系統受到顯著地擾動,而且關於第二種特性的資訊仍可順利獲得。這種謹慎的測量得倚賴在第一種特性的「弱測量(weak measurement)」後,緊接著進行第二種特性的「強測量(strong measurement)」。

首度描述於 25 年前的弱測量,需要使系統與用來測量它的東西耦合,一如其名所指,「弱」意味著系統僅在「測量過程中」被擾動。 這類型測量的短處是每一次測量僅提供一小量的資訊,而且為了獲得精確的讀數,此過程需要重複多次,然後取平均值。

Boyd 與其同僚把光的位置與動量當成偏振態的指示器。為了將偏振耦合到空間自由度,他們使用雙折射(birefringent)結晶體:當光通過這樣的晶體時,那裡會因不同的偏振而引起空間分離(spatial separation)。例如:如果光是由一種水平偏振成份與垂直偏振成份的組合所構成,當它通過晶體時,個別成份的位置將會根據其偏振而分離出來。結晶體的厚度能控制測量的「強」、「弱」程度,並測定分離的程度,相對來說是小或大。

在這項實驗中,Boyd 等人使偏振光通過二個厚度不同的結晶體:第一個是非常薄的結晶體,那「微弱地」測量水平與垂直偏振態;第二個,一個厚很多的結晶體,那「強烈地」測量對角線與反對角線偏振態。當第一次測量以微弱地方式進行,系統沒有受到顯著擾動,也因此,取自於第二次測量的資訊仍然有效。此過程重複數次以建立精確的統計。所有東西兜在一起,將獲得一個完整、直接的光偏振態特徵描述。

※ 相關報導:

* Full characterization of polarization states of light via direct measurement
http://dx.doi.org/10.1038/nphoton.2013.24
Jeff Z. Salvail, Megan Agnew, Allan S. Johnson, Eliot Bolduc,
Jonathan Leach, Robert W. Boyd.
Nature Photonics (2013)
doi: 10.1038/nphoton.2013.24
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