来自巴塞尔大学的物理学家首次观察到了数百个相互作用原子系统中量子力学爱因斯坦-波多尔斯基-罗森佯谬。这种现象可以追溯到1935年的着名思想实验。它可以精确预测测量结果，并可用于新型传感器和电磁场成像方法。这些发现最近发表在《科学 》期刊上。
原子云由电磁场保持在芯片上方，在空间分离的区域A和B之间观察到EPR悖论。图片：巴塞尔大学物理系
如何精确地预测物理系统上的测量结果？在由量子物理定律支配的微小粒子世界中，对这种预测精确度存在根本的限制。这个极限值由Heisenberg不确定性原理表示，该原理规定无法同时以任意的精度预测粒子的位置和动量的测量结果或者自旋的两个分量测量结果。
不确定性的矛盾减少
1935年阿尔伯特-爱因斯坦，鲍里斯-波多尔斯基和内森-罗森发表了一篇着名的论文，他们表明，在某些情况下，精确预测在理论上是可能的。为此他们考虑了两个系统A和B，称为“纠缠”状态，其中它们的属性强相关。在这种情况下，系统A上的测量结果可以用来以任意精度预测系统B上相应测量的结果。即使系统A和B在空间上分离，这也是可能的。矛盾的是，观察者可以使用系统A上的测量结果来比系统B（而不是A）直接访问的观察者更精确地描述系统B.
首先在多粒子系统中观察到
过去，实验使用光或单个原子来研究EPR佯谬，这个悖论来自发现它的科学家的姓名缩写。现在，由巴塞尔大学物理系教授Philipp Treutlein和瑞士纳米科学研究所（SNI）领导的物理学家小组首次成功地观测了EPR悖论，其中使用了包含数百个相互作用原子的多粒子系统。该实验使用激光冷却原子至绝对零度以上几十亿分之一。在这些温度下，原子完全按照量子力学定律运行，形成所谓的玻色 - 爱因斯坦凝聚体——爱因斯坦在1925年另一篇开创性论文中预测的物质状态。
在这种超冷云中，原子不断碰撞彼此之间，导致旋转纠缠。研究人员随后在冷凝物的空间分离区域对自旋进行了测量。由于高分辨率成像，能够直接测量不同区域之间的自旋相关性，并同时将原子定位在精确限定的位置。通过他们的实验，研究人员成功地使用了给定区域的测量结果来预测另一个区域的结果。这两个区域测量结果之间有很强的相关性，它们使我们能够证明EPR悖论。在更大的系统中观察这种量子物理的基本现象是很有趣的，同时实验也建立了爱因斯坦最重要的两部作品之间的联系。
量子技术的道路
除了基础研究之外，科学家们已经在猜测他们发现的可能应用。例如处于EPR悖论核心的相关性可用于改进电磁场的原子传感器和成像方法。这种量子传感器的发展是研究量子科学与技术国家能力中心（NCCR QSIT）的一个目标，其中研究团队积极参与其中。
博科园-科学科普｜参考期刊：Science｜来自：巴塞尔大学
