量子自旋的实验证明：重新定义经典物理与量子物理的界限
量子自旋的实验证明：重新定义经典物理与量子物理的界限
是什么造就了量子？几十年来，这个问题一直困扰着世界上一小部分热衷于此的人，其中大部分是量子物理学家。在非常小的尺度上，我们知道宇宙是由受量子力学定律支配的波和能量场组成的，但在日常生活尺度上，我们看到的大多是遵循经典力学古老规则的物体。当我们问是什么使某物具有量子特性时，其实是在问这两个领域之间的界线在哪里，以及如何划定这条界线。
在《牛顿》杂志发表的一项新研究中，我们以一种以前从未发现过的方式回答了这个问题，证明单个旋转粒子就能显示出量子行为的确凿证据。这项工作由CQT的Valerio Scarani教授和新南威尔士大学的Andrea Morello教授领导，为以下问题提供了基本答案：是什么使自旋成为真正的量子？
自旋的发现
一百年前，荷兰物理学家塞缪尔·古德斯米特（Samuel Goudsmit）和乔治·乌伦贝克（George Uhlenbeck）提出大多数微小粒子永远不会真正静止的想法。相反，他们认为电子，形成原子外壳的基本粒子，表现得像微小的旋转陀螺。
自旋可以是顺时针或逆时针，或者物理学家所说的“自旋向上”和“自旋向下”。自旋电子的这种二进制性质意味着它们可以用作量子计算机的构建块。
然而，在1925年，Goudsmit和Uhlenbeck的自旋电子提案在物理学界引起了轩然。物理学受到阿尔伯特·爱因斯坦、马克斯·普朗克和保罗·埃伦费斯特等杰出人物的影响，他们为相对论和量子力学的宏大理论奠定了基础，改变了我们对宇宙的理解。
在著名物理学家和诺贝尔奖获得者亨德里克·洛伦兹 （Hendrik Lorentz） 批评自旋理论后，乌伦贝克冷淡了，想撤回这篇论文。乌伦贝克和古德斯密特的导师埃伦费斯特告诉他们要坚持下去，他写道：“你们俩都还年轻，能够承受愚蠢的后果！
旧观念仍然存在
这种对新思想的抵制在物理学中并不罕见。正如普朗克所说，科学是一次葬礼一次进步的。
就像人们对发现自旋电子持怀疑态度一样，如今许多物理学家在接受教育时也对自旋的工作原理存在误解。
传统智慧告诉我们，自旋是一种量子特性，对于理解电子和原子核的行为至关重要。但与此同时，教科书却说，粒子的旋转在某种程度上仍然可以用经典物理学来完美描述。
Tsirelson被遗忘的协议
类似的考虑也适用于另一个教科书系统，即谐振子（例如钟摆）。根据Paul Ehrenfest在1927年提出的定理，量子钟摆的摆动方式与公园里的秋千没有区别。
引人注目的是，近80年后，俄罗斯-以色列物理学家Boris Tsielson提出了一个想法，表明只要量子系统以真正的量子状态准备，就可以从公园的摆动中辨别出量子钟摆。当时，Tsirelson的论文几乎没有引起注意。
又过了15年，新加坡的Valerio Scarani的研究团队从互联网深处重新发现了Tsirelson的论文。Scarani的学生Zaw Lin Htoo扩展了Tsirelson的想法，从理论上证明实际上可以在自旋的旋转中检测到量子。
更大的粒子和薛定谔的猫
我们新南威尔士大学的团队决定接受挑战，并在真实实验中证明自旋的量子性。然而，我们不能像电子这样的简单自旋来做到这一点。因为电子非常小，所以它只有两种可能的自旋状态：向上和向下。
再次违背了广泛的直觉，事实证明，电子自旋只能在准经典状态下制备，这遵循了旧教科书上的预测。
相反，我们使用了一个更大的粒子，即锑原子的原子核，这种粒子的自旋可以指向八个不同的方向，而不仅仅是两个。
我们能够将原子置于所谓的“薛定谔猫”状态，即它同时处于两个截然不同的自旋方向的叠加状态。
然后，我们执行了Tsirelson-Scarani协议，该协议不仅涉及测量自旋的平均方向，还涉及测量它的正性——这是一种与标准自旋谐振设置中所做的非常不同的测量。这个实验为锑自旋的量子性提供了无可置疑的证据。
下一步是什么？
我们的研究对于发现关于宇宙的基本真理以及阐明“量子”的含义非常重要。但是，它也可能具有实际应用。
我们使用 Tsirelson-Scarani 协议证明的量子状态正是使量子计算和量子传感比经典协议更具优势的那种状态。未来，我们将专注于充分利用这些系统用于技术应用
来源
https://phys.org/news/2025-02-forgotten-theory-quantum-particles.html