走进科学
利用原子云愚弄海森堡不确定性原理
丹麦哥本哈根大学的科学家们亲自动手，得到了与海森堡不确定性原理相关的一个挑战的答案研究者们利用激光将铯原子与振动膜相联系。这一研究是同类中的首个研究，表明传感器能以看不见的精度测量位移。
当通过先进显微镜或者其他形式的特殊仪器测量量子层面的原子结构或者光辐射，由于一个问题的存在而变得特别复杂。这个问题在1920年代吸引了尼尔斯·玻尔和维尔纳·海森堡的全部注意。这个处理在量子层面污染确定测量量的不准确性问题在海森堡不确定性原理中得到了描述，即粒子的完全状态变量，比如速度和位置，绝无法被同时知道。
在近期的自然杂志上的一篇科学报导中，哥本哈根大学尼尔斯·玻尔学院(NBI)的研究者证实海森堡不确定性原理可以在某种程度上被中和。此前这从未被演示过，这一成果可能启发新型测量装备和更好的传感器的研发。
credit: 煎蛋画师Chon
尼尔斯·玻尔学院的量子光学带头人Eugene Polzik教授主导了这一研究，涉及振动膜的构建和原子云。
光“踢”物体
当通过激光操作显微镜进行观测时，就会出现不确定性原理，这种观测方式不可避免地导致物体会被光子踢走。由此物体就会以随机的方式移动。这种现象被称作量子反作用(QBA)，限制了量子层面进行测量的准确性。为了在NBI进行这类试验，Polzik教授和他的合作者们利用特制的膜作为量子层面的观测对象。
近几十年中，科学家已经试着寻找“愚弄”海森堡不确定性原理的方式。Eugene Polzik和他的同事们几年前提出了实现先进原子云的想法。先进原子云由1亿个铯原子组成，这些原子被锁在密封玻璃比色槽中，教授解释道：“比色槽只有1厘米长，1/3毫米高，1/3毫米宽，为了使原子按照我们的意图工作，比色槽内壁必须被涂上石蜡。我们在量子层面观察膜的运动位移为0.5毫米，但在量子视角看来已经相当大了。”
玻璃比色槽背后的想法是要故意令用于研究膜运动的激光穿过密封原子云，然后再抵达膜，Eugene Polzik解释道：“这就导致激光的光子踢动物体——膜以及原子云，可以说这些踢动就抵消掉了。这意味着不再有量子反作用，因此量子层面进行测量的准确性也就不再有限制。”
如何利用这个？
Eugene Polzik教授说道：“例如，可以用来研发新型更先进的分析运动的传感器。一般来讲，在量子层面运作的传感器近年来受到了大量关注。一个例子就是支持此类研究的欧盟量子技术旗舰项目。”
另一方面，愚弄海森堡不确定性原理也许与更好理解引力波也有关联。2015年9月，美国LIGO实验首次检测到两个特大质量黑洞碰撞产生的引力波，但LIGO所用的仪器受到量子反作用的影响，NBI的这项新研究可能可以消除这个问题。
论文原文：nature.com/articles/doi:10.1038/nature22980