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,＊ 竊取量子金鑰的量子竊聽者
Jonathan Leach, Robert W. Boyd.
Nature Photonics (2013)
doi: 10.1038/nphoton.2013.24
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