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近日，我校郭光燦院士領(lǐng)導(dǎo)的中科院量子信息重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了新形式的海森堡不確定關(guān)系。該實(shí)驗(yàn)室李傳鋒博士研究組完成的實(shí)驗(yàn)表明，在待測(cè)粒子的“量子信息”事先被存儲(chǔ)的情況下，“經(jīng)典” 的不確定關(guān)系能夠被違背。相關(guān)研究成果以“Experimental investigation of the entanglement-assisted entropic uncertainty principle”為題刊登在2011年10月的《Nature • Physics》上，Nature • China在“Research Highlights”欄目中對(duì)該成果進(jìn)行了介紹。

經(jīng)典的海森堡不確定原理認(rèn)為，在一個(gè)量子力學(xué)系統(tǒng)中，一個(gè)粒子的兩個(gè)不對(duì)易的力學(xué)量（比如位置和動(dòng)量）不可被同時(shí)確定。地確定其中一個(gè)力學(xué)量的同時(shí)，必定不能地確定另外一個(gè)力學(xué)量。愛(ài)因斯坦等人1935年提出的EPR佯謬認(rèn)為：如果AB兩個(gè)粒子是孿生的，可以同時(shí)準(zhǔn)確測(cè)量A的位置和B的動(dòng)量，而從B的動(dòng)量又可以推出A的動(dòng)量，等價(jià)于說(shuō)可以同時(shí)確定A粒子的位置和動(dòng)量。愛(ài)因斯坦等人以此來(lái)質(zhì)疑量子力學(xué)的完備性。對(duì)于EPR佯謬的持續(xù)研究催生出了量子糾纏的概念，人們認(rèn)為利用量子糾纏，是有可能同時(shí)確定一個(gè)粒子的位置和動(dòng)量的。zui近的理論研究進(jìn)一步給出了這一問(wèn)題的定量描述，在觀測(cè)者擁有被測(cè)粒子“量子信息”的情況下，被測(cè)粒子測(cè)量結(jié)果的不確定度，依賴于被測(cè)粒子與觀測(cè)者所擁有的另一個(gè)粒子（存儲(chǔ)量子信息）的糾纏度的大小。當(dāng)它們處于zui大糾纏態(tài)時(shí)，兩個(gè)不對(duì)易的力學(xué)量可以同時(shí)被準(zhǔn)確測(cè)量，此時(shí)經(jīng)典的海森堡不確定原理將不再成立。此理論被稱為新形式的海森堡不確定原理。

 圖1 “新形式的海森堡不確定原理”抽象示意圖
　 

李傳鋒博士研究組在zui近的實(shí)驗(yàn)中驗(yàn)證了新形式的海森堡不確定原理。他們?cè)诠鈱W(xué)系統(tǒng)中利用非線性過(guò)程產(chǎn)生的孿生光子對(duì)制備出一種特殊的糾纏態(tài)——貝爾對(duì)角態(tài)，把其中一個(gè)光子作為被測(cè)光子，另一個(gè)光子作為存儲(chǔ)被測(cè)光子量子信息的輔助粒子。研究組通過(guò)將輔助光子存儲(chǔ)在自行研制的自旋回聲式的量子存儲(chǔ)器中（存儲(chǔ)時(shí)間可以達(dá)到1.2 us），實(shí)現(xiàn)了對(duì)被測(cè)光子的兩個(gè)不對(duì)易力學(xué)量的測(cè)量，并給出了兩個(gè)力學(xué)量輸出結(jié)果不確定度的下界。這一結(jié)果確實(shí)違背了經(jīng)典的不確定原理，并且驗(yàn)證了新形式的海森堡不確定原理。本成果將有助于人們更深刻地理解量子力學(xué)的本質(zhì)特征，同時(shí)對(duì)量子密鑰傳輸?shù)陌踩宰C明也有著重要意義，并有望在量子工程學(xué)中獲得應(yīng)用。

圖2 實(shí)驗(yàn)裝置圖

該項(xiàng)研究受到科技部和國(guó)家自然科學(xué)基金委的資助。