物理学家第一次实现量子波函数的实验重建
发布时间：2021-12-13 14:05:36 所属栏目：动态 来源：互联网
导读：北京时间 12 月 13 日消息，经过十年的工作，研究人员首次实现了量子波函数的实验重建。波函数是一个用来预测量子粒子行为的抽象概念，也是物理学家理解量子力学的基
|
北京时间 12 月 13 日消息，经过十年的工作，研究人员首次实现了量子波函数的实验重建。波函数是一个用来预测量子粒子行为的抽象概念，也是物理学家理解量子力学的基础。然而，这一基础本身无论在字面上，还是在哲学意义上，都让物理学家们感到十分棘手。 物理学家首次实现量子波函数的实验重建 ▲ 半导体材料内部电子被激光脉冲加速和激发的示意图。在这个过程的最后，电子会释放出一束闪光，其中携带着有关其量子波函数的信息 波函数无法被我们拿在手里，也不能放在显微镜下进行观察。而更令人困惑的是，波函数的一些性质似乎不是真实的。事实上，数学家们会公开地将这些性质以虚数进行标记，作为波函数预测现实世界实验结果过程中的重要组成部分。所谓虚数，字面意义上便是虚构的数，比如负整数的平方根。简而言之，如果一个波函数可以被认为“存在”，那它便模糊地存在于形而上学的数学与物理现实之间。 近日，美国加州大学圣巴巴拉分校的研究人员及其同行在连接这两个领域方面取得了重大进展：他们首次通过测量半导体材料对超快光脉冲的响应，重建了波函数。该团队的研究成果发表在 11 月的《自然》（Nature）杂志上，或许将帮助电子工程和量子材料设计进入一个精细理解和精确控制的新时代。 对于现实世界的应用，例如现代电子学，略显神秘的波函数是物理学家了解某些新装置内部实际情况的最佳途径。为了预测电子在一种材料内的运动速度或它能携带多少能量，研究人员必须从所谓的布洛赫波函数开始计算。这个波函数又名布洛赫态，由物理学家菲利克斯・布洛赫在 1929 年提出，后来便以他的名字命名。加州大学圣克鲁兹分校的物理系学生、这项新研究的共同第一作者乔・科斯特洛表示，布洛赫波函数对量子工程设备尤其重要。他强调说：“在你考虑建造任何一种利用量子力学的设备时，你都需要很深入地了解它的（波函数）参数。” 这其中就包括波函数的所谓“相位”，一个完全虚构的参数，但在设计量子计算机时往往至关重要。“长期以来被表征的都是（电子的）能量。这是所有电子学的基础，”美国密歇根大学的物理学家麦基洛・基拉说，“但现在，有了量子信息技术，下一个层级便是超越这些，最终获得这些（波函数）相位。”他阅读了该研究的早期草稿，但没有直接参与这项工作。 十年前，由加州大学伯克利分校的马克・舍温领导的一个物理学家团队注意到这些能量释放过程的奇怪之处：它们的性质异常敏感地受到最初启动粒子运行的激光脉冲性质的影响。舍温及其同事意识到，半导体材料的电子对光的反应在很大程度上存在细微差别，而这是一个尚未被探索的课题。“这出乎我们的意料，”舍温回忆道，“但我们决定进一步探索，并开始进行系统的研究。”在这项新研究中，博士后学者吴启乐（Qile Wu，音译）进行了计算工作，他是舍温团队的成员，也是这项研究的共同第一作者。计算结果证明，这种灵敏的细微差别还可以用来重建半导体空穴的布洛赫波函数。 研究人员通过对偏振性质的测量，揭示了被吸收的激光与释放的闪光之间的联系。所谓偏振，就是光波在行进过程中振荡的方向。在实验中，激光的偏振影响了运行中的电子及其空穴的波函数相位。在实验结束时，二者的会合产生了闪光，该闪光的偏振便由这两个波函数相位决定。在物理学方程中，这些相位通常以虚数而非实数来表示，因此在研究人员看来，将它们与非常真实和可测量的光偏振联系起来，是一个重要的突破。 （编辑：拼字网 - 核心网） 【声明】本站内容均来自网络，其相关言论仅代表作者个人观点，不代表本站立场。若无意侵犯到您的权利，请及时与联系站长删除相关内容! |
站长推荐