量子物理的基本定律也能绕开？首次规避海森堡测不准原理

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19世纪末，海森堡首次提出了不确定性原理。在量子物理学中，对于某一个确定的粒子，我们无法同时精确地知道粒子的位置和速度。海森堡曾言:“在因果律的陈述中，即'若确切地知道现在，就能预见未来’，所错误的并不是结论，而是前提。我们不能知道现在的所有细节，是一种原则性的事情。”

在最近发表在science上的一篇论文中，芬兰阿尔托大学的米卡·西兰帕教授领导的研究小组发现，有一种方法可以规避不确定原理。

研究小组并没有使用基本粒子进行实验，而是使用更大物体——一对振动的铝膜，类似于两个小鼓，每个鼓长约10微米——10微米大概只有头发丝直径的五分之一，但按量子标准来看，它们是如此巨大，每个结构由大约一万亿个原子组成。两个鼓膜震动的相位相反，研究小组用微波光子对膜进行扰动，使它们同步振动，并使其运动处于量子纠缠状态。在任何给定的时间，随着鼓的上下摆动，测量它们在平面上的位移表明它们处于完全相同的位置，并且测量它们的速度时会返回完全相反的值。

图源：Florent Lecoq和Shlomi Kotler / NIST

米卡·西兰帕教授表示：“两个鼓膜的 振动相 完全相反。”在这种状态下，可以将两个鼓视为一个量子力学实体，那么鼓膜运动状态的不确定性就被消除了。这意味着研究人员能够同时测量两个鼓面的位置和动量—而根据海森堡不确定性原理，这是不可能的。打破不确定性原理使得他们能够表征驱动鼓膜的极弱的力，“一个鼓膜延着相反的方向对另一个鼓膜所施加的所有的力做出反应，就像是有着负的质量”。

这项研究表明大的物体可以处于相对稳定的纠缠态，而纠缠对象不能被认为是相互独立的。处于纠缠状态中的物体，彼此之间可以具有任意大的空间间隔，可以表现出与经典物理学相矛盾的行为。对于同一个就纠缠态，研究人员可以进行多次测量，从而绕开了不确定性原理。也就是说，本实验并没有违反、打破不确定性原理，而是通过反作用规避了不确定性原理。

纠缠的鼓面示意图。图源：阿尔托大学

对于宏观的物体，量子纠缠效应是很难维持稳定的，极易被周围的环境扰动破坏。所以，进行这个实验时温度比绝对零度高0.01℃。研究小组表示他们将继续这项研究，以探索量子力学和引力的相互作用。实验所使用的振动鼓面有可能作为崭新的元器件，用作连接大型分布式量子网络节点的接口。

参考文献：

1.Quantum mechanics–free subsystem with mechanical oscillators” by Laure Mercier de Lépinay, Caspar F. Ockeloen-Korppi, Matthew J. Woolley and Mika A. Sillanpää, 7 May 2021, Science.DOI: 10.1126/science.abf5389

2.https://scitechdaily.com/breaking-heisenberg-evading-the-uncertainty-principle-in-quantum-physics/