中国科大实现测量型海森堡不确定关系的实验检验 [2016-07-10]

　　近日，中国科学技术大学杜江峰院士领衔的研究团队在国际上首次实验检验了一类基于统计距离的测量型海森堡不确定关系。研究成果发表在4月22日的《物理评论快报》上 [Phys. Rev. Lett. 116, 160405 (2016)]。

　　不确定原理包含两方面的内容。其中之一考察的是测量结果的统计弥散，涉及量子态的内禀性质，不涉及测量中的误差和扰动，这类不确定性可以称为“制备型”。此方面已被广泛而深入地研究，有很多严格的关系式，包括Robertson关系在内的某些重要结论已被写入量子力学教科书。另一方面，相继测量两个不相容的观测量时的误差和扰动，或者用联合测量来近似两个不相容观测量时的偏差，也是不确定原理所讨论的重要内容，且更接近海森堡的原意，这类不确定性可以称为“测量型”。相比于前者，后者更难定量化，近一个世纪以来，人们对后者的研究成果也远不及前者丰硕。

　　图一：理论框架。一对不相容的观测量A和B用一对相容的观测量C和D来近似，近似所产生的偏差用测量结果概率分布之间的距离来刻画。

　　2003年，Ozawa发表了一个刻画测量过程中的误差和扰动的不确定关系；在随后的十几年里，引发了一系列理论研究，并被若干实验所检验。然而，Ozawa的不确定关系受到了多方批评，被认为只是数学上正确但物理上有缺陷。近年来，Busch、Lahti和Werner从测量结果的概率分布入手，通过分析概率分布之间的统计距离，给出了一种物理上正确的定量化途径，由此得到了一些严格的测量型不确定关系。

图二：部分实验结果。(a) 观测量A、B、C、D的布洛赫矢量。(b) 联合测量的不确定度(即C和D相对于A和B的整体偏差)大于等于不相容观测量A和B的不相容度。绿色实线和虚线分别代表理论和模拟值，圆圈代表实验值，红线代表A和B的不相容度。

　　本工作中，研究人员对Busch、Lahti和Werner的理论框架做了改进，导出了量子比特情形下的测量型不确定关系，并在自旋体系上加以检验。实验采用联合测量，即同时测量一对相容的观测量，用来近似一对不相容的观测量，近似所产生的偏差用测量结果概率分布之间的距离来刻画。实验结果表明，联合测量的不确定度大于等于不相容观测量的不相容度，与理论预期一致。

　　此项研究是对这一类基于概率分布统计距离的测量　org进行了报道，称“该工作提供了对海森堡不确定原理原始思想的更深理解，并具有潜在的实际应用”。

　　上述研究得到了国家自然科学基金委、科技部和中国科学院的支持。

  论文链接：http://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.116.160405

  Phys.org新闻链接：http://phys.org/news/2016-06-experimental-heisenberg-uncertainty-principle.html