验证“历史的量子纠缠”


——我是如何带领学生与诺贝尔奖获得者合作的

(本文首发知社学术圈

在物理学中,可观测量通常对应于系统某时刻希尔伯特空间中的算符。可实际上,很多我们感兴趣的物理量,都与物理系统的演化历史有关系,比如说带电粒子在电磁场中运动时所积累的相位,高速运动粒子所经历的固有时间。如果对这些与历史有关的物理量进行测量,我们会得到什么?对于传统的某个时刻的可观测量而言,测量它可以使得系统塌缩到希尔伯特空间的某个子空间,与可观测量的取值相对应。类似的,对物理系统演化的历史进行测量,可以把历史投影到其本征子空间,而这通常是纠缠的。处于纠缠的历史,在每个时间点都无法赋予其确定的状态。这个物理图像简直不可思议!是真的么?让我从头说起。

2015年初,麻省理工学院的Jordan Cotler和Frank Wilczek教授(2004年诺贝尔物理学奖获得者)基于Robert Griffiths的一致量子理论,把通常应用于量子态的概念推广到了物理系统中的历史。对于量子动力学系统,定义了它所有历史态的希尔伯特空间,以及历史态之间的内积,这代表了历史态发生的几率。在此基础上,他们给出了纠缠历史的数学定义,讨论了如何制备纠缠历史和对纠缠历史进行贝尔检验

贝尔检验通常针对的是系统某个时刻的状态,验证其此时刻在空间上的非定域性。下面我简要介绍一下相关背景。1935年,爱因斯坦等人提出EPR佯谬,指出量子力学的非定域性与相对论之间存在矛盾。在那之后近30年,对有关EPR佯谬的争论都局限在理论层面。直到1964年,贝尔提出了贝尔定理,证明了经典的定域隐变量理论与量子理论是不相容的。对于最简单的双量子比特系统,他定义了一个可观测量。量子比特处于最大纠缠态时,这个可观测量可达到2\sqrt{2},而基于经典定域隐变量模型算出的上界是2。我们可以通过实验来验证到底是定域隐变量理论正确还是非定域的量子理论正确。贝尔定理完全改变了我们对量子理论,乃至整个物理世界的看法,是历史上最为深刻的科学发现之一。对贝尔不等式的验证一直持续到2015年才落下帷幕(详见我的这篇介绍文章)。

自从2012年参照Wilczek教授所提的时间晶体的概念,提出了广受关注的量子时空晶体之后,我一直很关注他的论文。量子纠缠历史涉及到量子信息与时间之间的关系,自然不能错过。恰好清华大学物理系基科班大三的徐达同学来找我想做点科研,我就把这两篇论文发给他,让他读读。考虑到徐达是个没有科研经历的本科生,我的初衷是让他学习有趣的新物理,感受科研的氛围,但他的表现远远超出我的预料。读完Wilczek教授的论文后,我们发现他们的纠缠历史贝尔检验方案涉及到四重积分,实验验证比较困难。很自然的,我们就想到了对纠缠历史三个时间点的GHZ检验。对三体GHZ态来说,经典与量子的不相容性更为突出,有利于我们验证纠缠历史。纠缠历史这个概念很难把握,恰好我另外一位学生孔令航在MIT交换访问,我让他去找Jordan Cotler聊了聊我们的疑惑。之后又与Jordan Cotler通过电子邮件交流数次,发现他也在研究纠缠历史的GHZ检验,最终促成了我们与他和Wilczek教授的学术合作。

我们很快得到了制备GHZ态的理论方案,同时还定义了一个可观测量G函数用于检测GHZ态。与纠缠历史的贝尔检验相比,无需积分,实验难度大幅度降低。我们信心满满地去找我们中心的段路明教授讨论,想说服他同意我们做实验验证。经过讨论后,他敏锐的发现,我们没有计算出经典历史与量子纠缠历史之间的边界,我们的理论只区分了可分离量子历史与纠缠量子历史。我们只得回过头来尝试证明G函数可以分辨经典与量子历史。幸运的是,基于任意的、包含时间上关联的经典随机模型,我们证明了G小于等于1/16,而GHZ纠缠历史的G函数可达1,用G确实可以区分经典与量子纠缠的历史。在解决段老师的疑虑后,他同意开展纠缠历史的实验。与他的博士生侯攀宇和祖充合作,我们设计了基于单光子的实验方案,然后在光学实验平台上制备了单光子的GHZ纠缠历史并测量了G。实验测得的G是0.656 ± 0.005,远大于1/16,从而证实了量子纠缠历史是存在的。随后,我们也证明了部分纠缠历史的边界也是1/16,我们的实验实际上证明了三时间点纠缠历史的存在。这篇论文已投稿,并贴到预印本网站上:Experimental Test of Entangled Histories

通过这个工作,我切实体验到清华大学资源的雄厚:如果不是孔令航同学受计算机科学实验班(姚班)的资助正好在MIT访问,我很难鼓起勇气与Wilczek他们主动联系,进而获得合作的机会。在初步完成理论分析之后,我们又能立刻在本单位找到实验组完成对理论的验证。这种种便利条件,国内无出其右。在做这个工作之初,我本以为从历史态的贝尔检验到GHZ检验,只是很平常的推广。所以,首要目的是以此为手段弄懂历史纠缠到底是什么,并没指望能完成重要的工作。谁知无心插柳柳成荫,最终我们不仅弄懂了什么是纠缠历史,还证明了量子纠缠历史超越了所有经典的随机模型的描述能力,只有量子理论才能正确的描述历史,进而完成了对纠缠历史的实验检验。做科研,得秉持学习的态度和求真的心,踏踏实实做好每一步,认真对待看起来很平凡的小工作。从事理论研究,学习始终是第一位的,而创新与发现,是在学习过程中自然而然出现的。

已经6月份了,毕业离别的时候要到了,让我介绍一下这几位学生的去向。孔令航获得奖学金,将去MIT物理系念博士,研究与量子信息有关的理论物理问题;徐达今年秋季将会去北大物理系跟随肖云峰教授念博士,研究光学微腔与光力学;祖充已完成博士答辩,将前往美国加州大学伯克利分校做博士后。侯攀宇现在是博士3年级,刚刚在《自然 通讯》上以第一作者发表了一篇实验论文。祝愿他们都有更加远大的前程!

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