新研究观察隐藏的量子跃迁弥合理论与实践实验之间的差距

渥太华大学 (uOttawa) 的研究人员与魏茨曼科学研究所和兰卡斯特大学合作，观察到了一种隐藏的量子跃迁，这种跃迁只能根据观察者进行测量的方式来观察。

该研究“广义 Pancharatnam-Berry 相的拓扑转变”于 2023 年 11 月 24 日发表在《科学进展》上。

科学方法的一个重要部分依赖于准确测量实验结果并将这些发现与先前结果进行比较的能力。科学家开发了测量设备或仪表，使他们能够精确量化物理特性的大小。然而，“测量过程”提出了一个关键且有趣的问题：测量参数的过程是否会改变被测量的系统?

在物理学中，人们通常认为对系统的影响可以忽略不计。然而，在量子力学的背景下不能做出同样的假设，因为测量行为可以显着影响所观察的系统。

该研究小组由魏茨曼科学研究所物理系教授尤瓦尔·格芬 (Yuval Gefen) 和渥太华大学理学院物理学教授兼加拿大结构量子波研究主席易卜拉欣·卡里米 (Ebrahim Karimi) 领导，设计了一种复杂的方法观察这种测量驱动的拓扑转变的协议。

该协议需要对激光源发射的光子的偏振态进行一系列不同强度(从强到弱)的测量。他们的研究结果表明，尽管系统和过程都存在缺陷，但拓扑转变仍然完好无损，但它对这些缺陷也很敏感。

曼努埃尔·F·费雷尔-加西亚博士说：“这种敏感性体现在转变位置和形状的重大变化上，强调了在这种先进的科学探索中系统完整性和外部影响之间的微妙平衡。” 候选人，他在渥太华大学的 Nexus 量子技术研究所进行了实验室实验。

在量子力学中，人们普遍认为量子系统的整个状态都封装在其波函数中。为了了解状态，系统与测量设备(即仪表)进行交互，测量设备有助于量化物理属性的大小。按照惯例，量子科学家在实验室中采用一种称为投影测量的技术。

这些测量被认为是“强”的，因为它们引起了波函数的“崩溃”，波函数被减少到与测量设备之一对齐的特定状态的状态这个过程不仅产生信息，而且改变系统的初始量子态。然而，设计一种对系统影响最小的测量协议是可行的，从而导致我们的仪表读数有些不确定。

通过重复的交互，可以收集有关系统的信息，这一过程称为“弱”测量。根据这种理解，我们可以推断出设计影响范围介于强和弱这两个极端之间的测量协议的潜力。这一概念为探索量子系统及其与测量设备的相互作用开辟了新途径，标志着量子测量技术的重大进步。

量子现象的一个重要但不太明显的方面是它们与拓扑概念的深刻联系。拓扑学本质上是数学的一个分支，重点研究连续变形下不变或不连续变化的性质。这些不变量的一个例子是封闭表面中的孔的数量，例如，球体可以连续变换为甜甜圈形状，但当两个不同的表面点相互接触时，孔的数量会突然从零变为一。

拓扑不变量在现代物理学的许多领域中发挥着重要作用。在这项工作中，研究人员观察到当测量强度从强变弱时会出现拓扑转变。这种转变涉及另一个数学概念的行为：几何相或 Pancharatnam-Berry 相。

当量子态经历循环演化，即在一段时间后回到初始状态时，它可以获得“全局”相位，这完全是由于演化发生的空间的曲率造成的。这个阶段可以通过用初始状态干扰演化状态来观察。

这项研究的影响超出了基础物理学的范围。由于该跃迁被证明对量子系统的某些特征敏感，因此它有可能用于传感应用或光学元件的表征。