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近日，我校郭光燦院士領導的中科院量子信息重點實驗室實驗驗證了新形式的海森堡不確定關系。該實驗室李傳鋒博士研究組完成的實驗表明，在待測粒子的“量子信息”事先被存儲的情況下，“經典” 的不確定關系能夠被違背。相關研究成果以“Experimental investigation of the entanglement-assisted entropic uncertainty principle”為題刊登在2011年10月的《Nature • Physics》上，Nature • China在“Research Highlights”欄目中對該成果進行了介紹。

經典的海森堡不確定原理認為，在一個量子力學系統中，一個粒子的兩個不對易的力學量（比如位置和動量）不可被同時確定。地確定其中一個力學量的同時，必定不能地確定另外一個力學量。愛因斯坦等人1935年提出的EPR佯謬認為：如果AB兩個粒子是孿生的，可以同時準確測量A的位置和B的動量，而從B的動量又可以推出A的動量，等價于說可以同時確定A粒子的位置和動量。愛因斯坦等人以此來質疑量子力學的完備性。對于EPR佯謬的持續研究催生出了量子糾纏的概念，人們認為利用量子糾纏，是有可能同時確定一個粒子的位置和動量的。zui近的理論研究進一步給出了這一問題的定量描述，在觀測者擁有被測粒子“量子信息”的情況下，被測粒子測量結果的不確定度，依賴于被測粒子與觀測者所擁有的另一個粒子（存儲量子信息）的糾纏度的大小。當它們處于zui大糾纏態時，兩個不對易的力學量可以同時被準確測量，此時經典的海森堡不確定原理將不再成立。此理論被稱為新形式的海森堡不確定原理。

 圖1 “新形式的海森堡不確定原理”抽象示意圖
　 

李傳鋒博士研究組在zui近的實驗中驗證了新形式的海森堡不確定原理。他們在光學系統中利用非線性過程產生的孿生光子對制備出一種特殊的糾纏態——貝爾對角態，把其中一個光子作為被測光子，另一個光子作為存儲被測光子量子信息的輔助粒子。研究組通過將輔助光子存儲在自行研制的自旋回聲式的量子存儲器中（存儲時間可以達到1.2 us），實現了對被測光子的兩個不對易力學量的測量，并給出了兩個力學量輸出結果不確定度的下界。這一結果確實違背了經典的不確定原理，并且驗證了新形式的海森堡不確定原理。本成果將有助于人們更深刻地理解量子力學的本質特征，同時對量子密鑰傳輸的安全性證明也有著重要意義，并有望在量子工程學中獲得應用。

圖2 實驗裝置圖

該項研究受到科技部和國家自然科學基金委的資助。