量子力學(xué)不斷挑戰(zhàn)我們的經(jīng)典物理認(rèn)知，揭示了一系列超越日常直覺的奇異現(xiàn)象。其中，最令人費解的現(xiàn)象之一便是非局域性，即兩個糾纏粒子可以瞬間影響彼此的狀態(tài)，無論它們之間的距離多遠(yuǎn)。發(fā)表在PRL上的論文《測試兩個量子存儲器之間的非局域能量改變》標(biāo)志著該領(lǐng)域的一項重要實驗進展，該研究首次實驗證實了量子系統(tǒng)中非局域能量分布的變化。
理論背景
該實驗的核心現(xiàn)象是量子糾纏，即粒子間的一種奇異關(guān)聯(lián)狀態(tài)，使得對一個粒子的測量會立即影響另一個粒子的狀態(tài)。量子糾纏最初被用于研究自旋或偏振態(tài)，其實驗驗證主要受貝爾定理的啟發(fā)，表明愛因斯坦所質(zhì)疑的“鬼魅般的遠(yuǎn)距作用”確實存在。然而，糾纏不僅限于概率狀態(tài)的非局域變化，還可能影響更具體的物理量，如能量。這一實驗正是針對這一問題展開研究，探討能量是否也能在糾纏系統(tǒng)中非局域地被改變。
量子存儲器是量子計算與量子通信中至關(guān)重要的組成部分，它們能長期存儲量子信息，并允許后續(xù)的操作和讀取。在該實驗中，研究人員使用了兩個量子存儲器，每個存儲器存儲了量子激發(fā)態(tài)。通過操縱其中一個存儲器的光子探測過程，研究人員試圖觀察遠(yuǎn)程存儲器中能量的變化是否能夠非局域地發(fā)生。
修改后的干涉儀實驗
為了研究非局域能量變化，研究團隊設(shè)計了一種改進的干涉儀實驗裝置。其核心結(jié)構(gòu)類似于馬赫-曾德爾（Mach–Zehnder）干涉儀，但其關(guān)鍵區(qū)別在于實驗中使用了兩個量子存儲器作為干涉儀的可控節(jié)點。
在實驗過程中，一個量子存儲器通過拉曼散射過程生成斯托克斯光子，同時另一個存儲一個原子激發(fā)。由于這兩者在量子層面是糾纏的，探測斯托克斯光子的行為將會對遠(yuǎn)程量子存儲器中的原子激發(fā)狀態(tài)產(chǎn)生非局域影響。研究人員調(diào)整斯托克斯光子的探測方式，以觀察遠(yuǎn)程量子存儲器中原子激發(fā)狀態(tài)的變化。
主要實驗發(fā)現(xiàn)
實驗的核心發(fā)現(xiàn)是：通過操控一個量子存儲器的光子探測方式，遠(yuǎn)程存儲器的能量狀態(tài)發(fā)生了可測量的變化。這一現(xiàn)象首次實驗證明，非局域性不僅體現(xiàn)在概率分布上，也可能影響物理能量分布。
該實驗結(jié)果支持了包括德布羅意-玻姆理論等量子力學(xué)解釋。根據(jù)這些理論，量子粒子伴隨著一個導(dǎo)航波（pilot wave），而該波動可以非局域地受到遠(yuǎn)程粒子的影響。實驗結(jié)果與這些理論預(yù)測一致，進一步支持了量子非局域性的廣泛適用性。
盡管觀察到了非局域的能量轉(zhuǎn)移，研究結(jié)果仍然符合狹義相對論的基本原則。實驗表明，盡管量子糾纏允許遠(yuǎn)程能量分布的改變，但其本質(zhì)是量子相干性的體現(xiàn)，并不違反光速限制。
更廣泛的影響與未來研究方向
非局域能量改變的發(fā)現(xiàn)可能在量子計算、量子通信和量子網(wǎng)絡(luò)等領(lǐng)域帶來革命性進展。例如，通過利用糾纏態(tài)進行能量調(diào)控，可以在分布式量子計算架構(gòu)中實現(xiàn)更高效的能量管理。該技術(shù)或可用于提高量子存儲器的效率，并優(yōu)化量子通信中的能量傳輸方案。
該實驗還涉及量子力學(xué)的基本問題，即現(xiàn)實的本質(zhì)。傳統(tǒng)觀念認(rèn)為，能量是一個局域?qū)傩?，但該研究表明，能量在糾纏系統(tǒng)中可以非局域地變化。這一發(fā)現(xiàn)挑戰(zhàn)了經(jīng)典物理學(xué)的基本假設(shè)，并可能促使科學(xué)家重新審視量子世界的本質(zhì)。
結(jié)論
這篇論文是量子物理實驗研究的一項重要突破。該實驗首次證實，能量這一基本物理量可以在量子系統(tǒng)中非局域地改變，這一發(fā)現(xiàn)進一步拓展了量子糾纏的適用范圍。
該研究不僅豐富了量子力學(xué)的理論框架，同時也對量子計算、量子通信等前沿技術(shù)的發(fā)展具有重要影響。隨著未來研究的深入，科學(xué)家們或?qū)⑦M一步揭示量子世界的神秘特性，并推動人類對自然界基本規(guī)律的認(rèn)知邁向新的高度。
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