量子力学中同种微观粒子具有全同性，更确切地说是不可分辨性

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宏观尺度验证全同粒子的不可分辨性
对微观世界进行正确的描述需要使用量子力学，在量子力学中同种微观粒子具有全同性，更确切地说是不可分辨性（Indistinguishability），然而迄今尚未对这一性质在宏观的尺度上验证过。本文描述的实验用两团在宏观尺度上隔离开的玻色-爱因斯坦凝聚体（Bose-Einstein Condensates）验证了全同粒子的全同性，这是前所未有的。

将相干光脉冲（Coherent Light Pulse）携带的信息传递给一团原子的自旋（Spin）是量子物理实验中采用标准的技术；但是从远处的第二团原子中重新提取出光脉冲的信息看起来像是不可思议的巫术。但是在下文的介绍中我们将会看到这并不是什么巫术，而是量子力学的效应。

在量子世界中，同种粒子是不可区分的：描述它们的波函数（Wavefunction）是所有占据了全部可能状态的同种粒子波函数的叠加。这意味着我们在讨论地球上某一个电子的时候，严格说来必须考虑到月球上的每一个电子对它的影响，它们之间是完全平等的。幸运的是，我们可以忽略这种影响，因为它们离得太远了，而单个电子的波函数主要分布在微观的尺度上，相距宏观尺度电子间波函数的重叠可以忽略不计。在实际的计算之中，我们常常忽略它们之间的关联。但是在本期《自然》（Nautre）杂志上，Gin*****erg，Garner和Hau的文章中我们可以看到两团原子形成的玻色爱因斯坦凝聚体之间具有全同性，即使它们之间隔开一定的距离。虽然这两团原子之间的距离不足一毫米，比起地球和月亮之间的距离来显得微不足道，但是比起只有微观尺度的凝聚体本身来已经是相当大的了。

为了演示这种性质，Gin*****erg等人使用了一种在几年前才发展出来的一项技术将光脉冲中包含的信息储存在原子凝聚体中。对于这个过程的经典理解是，入射的激光脉冲通过诱导出正负电荷的微弱振荡——通常称为光致电偶极矩（Optical Dipole）——将它的能量传递给原子气。这些光致电偶极矩会发出电磁辐射从而很快衰减掉，但是通过第二束激光脉冲——称为控制激光脉冲（Control Laser）——可以将光致电偶极矩的振荡转换成自旋（Spin）的振荡，自旋振荡比起光致电偶极矩振荡稳定。当控制激光脉冲撤离掉之后，虽然入射激光脉冲消失了，但是它所携带的相干信息会被储存在原子的自旋振荡中。当控制激光脉冲再一次被打开的时候，就会发生原过程的逆过程：这些原子就会像一组相位调制之后的天线发出相干的电磁波一样，按照储存在自旋振荡中的相位信息发出相干辐射。从原子团中可以再一次获得形状和传播方向一样的相干激光脉冲。

从量子力学的观点来看，自旋偶极矩（Spin Dipole）是原子的基态（Ground State）和自旋激发态（Spin-Excited State）的叠加态。当同时存在这两种状态组分时就可以储存相位信息，这对于恢复过程的相干性是非常关键的。如果只有自旋激发态存在，那么原子偶极矩就会以随机的相位振荡，从而当控制激光脉冲重新打开的时候，只可能得到非相干光的自发辐射（Spontaneous Emission）。

值得注意的是，只有那些处于自旋激发态的原子才会吸收一个光子。这一点具有重要的意义，因为虽然玻色爱因斯坦凝聚体中的原子温度非常低，但是它们可以自由移动，将光脉冲信息储存在原子团中的过程中伴随着将光子的动量传递给自旋激发态的原子。动量的传递使得波函数的激发态分量以光脉冲导致的反冲速度发生移动，而基态波函数则待在原地不动。在玻色爱因斯坦凝聚体中，自旋振荡可以保持足够长的时间，允许自旋激发成分移动远大于其展宽的距离，这时波函数中的基态组分和激发态组分实际上在宏观的尺度上分隔开了。这就导致人们关心这样一个问题：当波函数的两种组分——自旋激发态和基态波函数——在宏观尺度空间间隔上分离时还有没有可能重新得到相干的原始光脉冲？

Gin*****erg和他的同事们完成的实验显示，这是完全有可能的，至少在自旋激发态的波函数并没有完全离开凝聚体的情况下是可以办到的。这是因为，在玻色爱因斯坦凝聚体中，基态波函数可以延展到凝聚体所在整个区域。因此在基态波函数和激发态波函数之间总是存在部分的重叠，也就可以重新得到相干的光脉冲。

但是在第二个实验当中他们观察到了更让人吃惊的现象。他们在两个势阱中配置了两团独立的玻色爱因斯坦凝聚体，他们各自的展宽为50微米，相互之间的间隔为毫米量级。首先用传统的方法将相干光脉冲的信息储存在第一团凝聚体中。和先前一样，自旋激发态的原子由于反冲朝着第二团凝聚体移动。一旦这些携带相干信息的“信使波函数”（Messenger Wavepacket）完全脱离第一团凝聚体，可以预期没有办法在得到原始光脉冲的相干信息。

但是如果等到“信使波函数”到达第二团凝聚体时再提取信息，就可以看到出乎意料的结果。在这种情形下，可以重新得到原始光脉冲的相干信息，具有相同的形状和传播方向。由于这两团凝聚体是独立地制备的，因此我们常常会很简单地认为，从第一团凝聚体出来的信使波函数与第二团凝聚体是完全不相关的，但事实并不是这样。理解这种实验现象的唯一可能是，将这两团凝聚体中的原子视为全同的量子物质。如果这种观点是正确的话，相互独立的凝聚体的基态波函数同时具有相同的成分，从而当处于基态的第二团凝聚体波函数与处于自旋激发态的信使波函数叠加的时候，就可以从第二团凝聚体中重新得到储存在第一团凝聚体中的相干信息。

Gin*****erg等人的工作是对于量子物理的基础——全同性——在宏观尺度的有力证明。它同时预示了我们对于相干光（Coherent Light）和物质波（Matter Wave）的实验控制能力达到了前所未有的高度。这会带来许多实实在在的技术好处：比如量子信息转化（Quantum Information Interface），从而使得将调制在光信号中的量子字节（Quantum Bit）传递给单个原子，这同样适用于高灵敏度的旋转感应器（Ultra-Sensitive Rotation Sensor）以及引力波探测器（Gravity Detector）。


图a：Gin*****erg，Garner和Hau在实验中采用了两团爱因斯坦凝聚体来演示在宏观尺度上的量子全同性。在一束控制激光的协助下，他们将探测激光束的相位信息储存在处于基态的第一团凝聚体中；

图b：当控制激光束被关掉的时候，探测激光束通过激发自旋偶极矩振荡将其相位信息储存在凝聚体原子中。这些偶极矩的量子力学波函数是由两种成分叠加而成的——这两种成分分别对应于处于基态和自旋激发态的原子波函数。由于激发态原子吸收脉冲激光中的光子，动量守恒（Momentum Conservation）要求激发态波函数获得反冲动量，从而向外移动；但是基态波函数则待在原地不动；

图c：当自旋激发态波函数在两团凝聚体之间传递的时候，没有办法重新提取出初始激光脉冲的相干信息；这时当重新打开控制激光束的时候，只能够得到向各个方向自发辐射的非相干光子；

图d：但是当等到激发态波函数移动到第二团凝聚体所在位置时再打开控制激光束的话，就可以重新产生原初的激光脉冲。这两团玻色爱因斯坦凝聚体是独立制备的，所以看起来它们相互之间应该是不同的。但是它们所含的基态原子是全同的，这是由于量子力学中的全同性导致的结果。


参考文献：
1. Gin*****erg, N. S., Garner, S. R. & Hau, L. V. Nature 445, 623–626 (2007).
2. Liu, C., Dutton, Z., Behroozi, C. H. & Hau, L. V. Nature 409, 490–493 (2001).
3. Phillips, D. F., Fleischhauer, A., Mair, A., Walsworth, R. L. & Lukin, M. D. Phys. Rev. Lett. 86, 783–786 (2001).
4. Fleischhauer, M. & Lukin, M. D. Phys. Rev. Lett. 84, 5094–5097 (2000).

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• 经典力学中，尽管两个全同粒子的固有性质完全相同，仍可区分;微观全同粒子不可区分：同一时刻它们可以处于同一位置。 -marketreflections- ♂ (5246 bytes) () 04/16/2010 postreply 12:23:18