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
Jacob Dunningham and Vlatko Vedral
Phys. Rev. Lett. 99, 180404 (2007)
doi:10.1103/PhysRevLett.99.180404
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