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加拿大科研人员开发量子性描述数学方法

2021年02月22日 17:04:04字号:T|T

    据报道,由该校物理学家组成的一个团队开发出一种新方法,可从数学角度描述不同物体或系统的“量子性(quantumness)”,即它们以量子方式表现的程度。该研究已于近期在线发表于《AVS量子科学》期刊(AVS Quantum Science)。

    该研究的第一作者,多伦多大学文理学院物理系在读博士亚伦·戈德堡(Aaron Goldberg)介绍说:“以前研究人员曾在涉及光的系统中测量过量子性,但我们的方法可广泛应用于任何量子系统——涉及光、原子、分子甚至是这些物质的组合系统。”

    量子物理学所描述的亚原子世界与牛顿经典物理学定律所描述的世界大不相同。在量子世界中,亚原子粒子仅具有可能(probable)的位置和速度,而光具有波粒二象性。亚原子粒子可以通过看似不可穿透的屏障进行量子隧穿(quantum tunnel)。粒子可以在很远的距离上实现相互镜像,即量子纠缠。这些特征定义了对象的“量子性”。

    戈德堡说,许多人最初认为经典与量子之间有明显的区别是物体非此即彼。但是随着对量子领域认识的不断深入,人们的看法改变了。科学家多年来进行了越来越复杂的实验,但未能发现两者之间的明显界限。现在流行的理论是量子力学可以描述从光子到台球再到行星的所有事物。

    戈德堡指出,“实际上可能存在无限数量的量子度(an infinite number of degrees of quantumness)”。

    例如,一个台球实际上是一个量子物体,可以穿过桌边。但是这种情况只有当台球中原子和分子的量子态完全对齐时才会发生。因为台球中原子和分子的数量极大,因此这种现象发生的可能性极小。

    戈德堡及其合作者研究了从经典到量子光谱(classical-to-quantum spectrum)的量子端,并确定了两个最高的量子度(degrees of quantumness),将其标记为“国王”和“王后”。戈德堡认为,这项成果只是漫漫长路的第一步,他和同事们正在世界各地实验室团队的帮助下,继续探索极端量子态。

    有关系统量子度的知识可能有助于量子计算机、传感技术以及物理常数和其它属性高精度测量技术的发展。例如,这项研究可能有助于引力波检测,因为这种检测必须精确到质子直径的万分之一。

    该研究获得了加拿大自然科学与工程研究理事会(NSERC)等机构的支持。

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