量子叠加效应在跨越数百千米距离时仍可以保持
本文转载自微信号 DeepTech深科技（ID：mit-tr）。
编译 离子心
在微观量子世界中，存在很多奇怪，甚至是反直觉的现象。其中量子态叠加可能是最奇怪的一种——粒子可以同时处于不止一种状态。例如，根据量子力学，同一时刻，电子自旋方向可以既是顺时针又是逆时针，或者同时处于激发态和基态。
80多年前，埃尔文·薛定谔通过被后世称为“薛定谔的猫”的思想实验，首次揭示了量子状态叠加这一现象造成的奇怪后果：一只猫被关在盒子里，盒子中有一个辐射源，辐射源具有量子状态叠加性——极可能会放出中子也可能不放出中子。如果辐射源发射一个中子，那么盒子放出毒气杀死猫；如果辐射源没有发射中子，那么盒子里没有毒气，猫活着。因为猫的死活取决于辐射源，而辐射源又是处于辐射和不辐射的叠加态，因此猫也处于“死”和“活”的叠加态。
此后，物理学家通过一系列实验证实，亚原子尺度下，粒子确实存在量子状态叠加这一特性。但是，一个始终没有解决的问题是：在大尺度物理现象中，可以观察到量子状态叠加特性吗？
不久前，麻省理工学院的物理学家发现，中微子在飞行数百千米后，还可以处于量子叠加状态，该成果于2016年7月发表在《物理综述快报》上（Physical Review Letters）。这项成果创造了量子界的长度记录。
一场说走就走的亚原子旅行
中微子是一种亚原子粒子，几乎不与物质发生作用，它们每时每刻穿越你的身体，但你不会有任何感觉。此外，中微子还可以震荡，并在几种亚型之间转换。研究团队以中微子的震荡数据为研究对象。
麻省理工研究团队从费米国家加速器实验室（Fermilab）的中微子震荡研究项目（Main Injector Neutrino Oscillation Search, MINOS）获得了数据。这些中微子在芝加哥附近的一个设施中，通过其他高速运动的粒子与靶标碰撞而产生，并被在735千米外的明尼苏达州速旦地区的探测器记录。尽管中微子离开芝加哥时是一种状态，但是它们会在去明尼苏达的路上震荡，变成另一种状态。
麻省理工团队研究了芝加哥产生的中微子和到达明尼苏达的中微子的状态，发现状态变化可以用量子力学解释：大多数中微子在飞行中处于一种叠加态——即它们在飞行中没有确定的状态。
此外，科学家发现，中微子的行为跟经典物理体系下的物体运动规律极其不同。具体地，这些数据不能用爱因斯坦提出的“物体在某时刻只能处于一种状态”理论来解释。
麻省理工学院加墨哈森（Germeshausen）物理学和科学史学教授戴维德·凯撒（David Kaiser）表示，之前主流理论认为，量子物理只能适用于小尺度物理现象。但是研究结果表明，某些粒子经过大空间尺度传播后，仍然可以保持量子特性。这个发现是颠覆性的。
本篇论文是由凯撒、麻省理工学院物理学教授约瑟夫·福马果（Joseph Formaggio）、本科生泰利雅·维斯（Talia Weiss）和已经毕业的硕士尼古拉·明斯基（Mykola Murskyj）共同发表的。
确定态还是叠加态？
科学家利用莱格特-皋格（Leggett-Garg inequality）不等式分析了中微子数据，以期检测一个经典物理系统或量子物理系统能否具有不少于2个的状态。
当年，物理学家莱格特和皋格发现，一个服从量子力学的系统和一个服从经典物理的系统，其测量结果通过统计分析后的结果会出现差异。具体地，如果系统服从量子力学，而不是处于爱因斯坦所说的“确定态”，那么随时间的推移，该系统的统计相关性会发生变化。
福马果稍微改造了一下这个不等式，使得这个不等式的自变量从时间变成了中微子的能量。在MINOS实验中，产生的中微子能量在很大范围内分布，而这些数量巨大的中微子中只有一小部分被探测到。
根据福马果的分析，到达探测器的中微子的状态应当由中微子诞生时的能量决定。此外，中微子若服从爱因斯坦的“确定性原理”，那么其状态分布是一种形态；如果中微子服从量子力学的叠加原理，那么其状态分布是另外一种状态。
大尺度，一样看得到量子叠加
科学家利用莱格特-皋格不等式的变形，分析了中微子震荡数据，结果发现，数据符合量子叠加所规定的情况，而完全不符合爱因斯坦“确定性原理”描述的情况。因此，中微子在飞行中处于量子叠加态。
但是怀疑者指出，若粒子在每个时刻都有确定的状态，只不过随时间推移不断变化，那么它们符合爱因斯坦的“确定性原理”，但数据分析会得到同样的结果。此外，数据会不会由于仪器的瑕疵而出现问题？凯撒表示，怀疑者指出的情况不是没有可能，但是可能性不会大于10亿分之1。
如果中微子确实在飞行中处于量子叠加态，为什么？未参加该项研究的西北大学教授安德烈·德·戈威亚表示，可能是因为中微子飞行太快。根据相对论，高速运动的物体，在物体之外的观察者看来，其时间会变慢。因此中微子经过的时间太短，来不及脱离量子叠加态。他补充到，该实验结果和之前的许多实验结果一道，都支持这样一个理论：量子力学在所有空间尺度上成立，尽管这个结论有点令人吃惊。
凯撒表示，由于量子力学非常精确，同时在如此多的环境下成立，因此他决心在尽可能大的空间尺度上测试量子力学是否成立。这将很有可能再次扩大了量子力学的适用范围。
该项目已获得了美国能源部的部分资助。
§
阅读更多
▽故事
▽论文推荐
内容合作请联系
keyanquan@huanqiukexue.com,
或者给010-85321181打电话。
这里是“科学美国人”中文版《环球科学》服务科研人的微信号“科研圈”。我们：
· 关注科学进展与科研生态
· 推荐重要前沿研究
· 发布科研招聘
· 推送学术讲座与会议预告。
欢迎长按二维码关注。