近日，上海交通大學物理與天文學院金賢敏課題組在Physical Review Letters上發(fā)表題為 “Test of nonlocal energy alteration between two quantum memories”的研究論文，利用量子存儲檢驗了德布羅意-玻姆理論所建議的非局域能量改變。當兩個粒子處于自旋糾纏態(tài)時，對其中一個粒子進行測量，會非局域地影響另一個粒子的自旋狀態(tài)。這啟發(fā)本工作的研究者大膽猜測：通過量子關聯，可以非局域地改變能量的空間分布。這種看起來超現實的現象，曾被德布羅意-玻姆理論提及，但一直未被正式命名，也未被實驗檢驗。一個客觀原因是，在量子存儲出現之前，不容易實現：將粒子及其能量的隱變量指定為空間位置而不是內稟屬性（自旋），而且能夠保存、探測和讀取記錄位置信息的量子態(tài)。

圖1 (a)實驗的概念圖。(b)主要操作的時空分布。(c)干涉區(qū)域的相對論玻姆軌跡。

研究團隊采用量子存儲（quantum memory，簡記為QM），結合相對論玻姆軌跡，對能量的非局域改變進行實驗檢驗（圖1）。QM產生的Stokes光子（記為S1）作為第一個粒子，而QM中存儲的原子激發(fā)作為第二粒子。由于這兩個粒子產生于同一個拉曼散射過程，它們之間剛好具有本研究所需要的量子關聯。研究者可以對QM進行讀取操作，以得到原子激發(fā)及其能量的位置信息，這屬于強測量。也可以通過本研究設計的一種弱探測技術來獲取位置信息。這里的弱探測可以類比為：在每個QM旁邊，有一個視線受阻的觀察者（用一只猴子表示）查看原子激發(fā)及其能量的位置。它的每次觀察僅僅對QM產生一些輕微的擾動，同時會獲得一些關于能量位置的模糊信息。這些位置信息雖然模糊卻很有用，因為可以與后選擇操作一起，驗證過去發(fā)生的事件和未來發(fā)生的事件之間的量子關聯。

圖2(a-b)局域理論預測的能量位置和玻姆軌跡。(c-f)非局域理論預測的結果。

研究團隊分析了局域模型和非局域模型的各種預測結果（圖2），并且搭建了兩套實驗裝置（分別類似雙源干涉和雙縫干涉）來相互印證各種條件概率（圖3）。實驗結果與非局域理論一致，這表明原子激發(fā)和S1光子之間可以通過非局域的方式相互影響：通過對原子激發(fā)的輕微探測可以非局域地改變S1光子的玻姆軌跡；通過控制S1光子的玻姆軌跡可以非局域地改變原子激發(fā)及其能量的位置。本研究從能量的角度對量子非局域性進行了實驗探索，涉及的是一個相對基礎的研究領域，有望激發(fā)更多研究者關注量子力學基本問題。

圖3：局域模型和非局域模型預測的條件概率以及實驗結果。

上海交通大學物理與天文學院助理研究員竇建鵬為論文的第一作者，金賢敏教授為通訊作者，博士生路峰和唐豪教授為論文的共同作者。本工作由國家自然科學基金、國家重點研發(fā)計劃、上海市科委、上海市教委、新進教師啟動計劃以及中國博士后科學基金等項目資助。