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物理学家发明量子开关,打破“之前”和“之后”的概念

时间:2018-08-24 22:43来源:网络整理 作者:佚名

根据我们在日常生活中所认识到的因果律,一件事的发生会导致另一件事的发生。但在量子领域,这句话并不总是正确的。根据最近的一项研究,一种新的量子装置可以把两起事件的顺序搞乱,使它们同时在两个顺序中发生。

该研究作者之一、澳大利亚昆士兰大学的物理学家JacquiRomero博士表示,在日常生活中,我们习惯于思考有明确顺序的事件,例如,在早上,我们可能会在洗脸前刷牙,反之亦然。但在量子领域,两者都可以同时发生,这使得我们不可能知道哪一个是最先出现的。

为了证明这一点,物理学家制造出了一种特殊的量子装置--量子开关。通过这样的装置,当一个粒子处于所有可能位置的叠加态时,将会发生多个操作。

根据这项研究,量子开关的工作原理是把光粒子通过一系列的两种操作--标记为A和B--以此来改变光的形状。这些光子可以沿着两条不同的路径在A和B之间运动。光子沿着一条路径,A在B之前发生;而在另一条路径上,B发生在A之前。

在实验中,光子所走的路径是由它的偏振方向决定的。所谓的偏振方向是指电磁波的摆动方向--上下或者左右。那些具有水平偏振方向的光子先是经历操作A,而那些具有垂直偏振方向的光子则先是经历操作B。

然而,由于反直觉的叠加态量子特性,光子可以同时具有水平和垂直偏振。在这种情况下,光子既经历了A先于B,又经历了B先于A。

量子开关想法提出者、但没有参与这项实验的牛津大学和香港大学的物理学家Giulio Chiribella教授表示,这一结果标志着“控制量子物理学新系统的第一步”。

另一个研究小组此前也建立了类似的量子开关,但这个新的量子装置消除了模糊性。在早期的量子开关中,如果A出现在B之前,那么,光子会穿过仪器的一个稍微不同的部分,而不是B在A之前出现。这种差异使在两个顺序中同时执行两个相同的操作变得不那么清晰。在这个新的量子开关中,不管哪个操作先出现,光子都是穿过同一个点。

根据这项新研究,量子开关可能在量子通信和量子计算中很有用,它能提供一种通过在信息都被打乱的信道中进行通信的能力。

想象一下,你给朋友打电话,让你的声音完全失真。如果你通过另一个嘈杂的电话线发送那难以辨认的信息,你的信息仍然是什么有用信息都没有的噪音。然而,这种情况在使用量子开关时不一定是正确的。研究人员发现,如果光子在叠加态中通过两个这样的噪声信道--在信道B之前通过信道A并且同时在信道A之前通过信道B,这样一些信息可以被提取出来,从而实现通信。

Chiribella教授表示,这是他发现的最神奇的东西之一。

目前,这项研究已经刊载于《物理评论快报》(Physical Review Letters)上。