研究人員首次實(shí)現(xiàn)量子波函數(shù)的實(shí)驗(yàn)重建

經(jīng)過十年的工作，研究人員首次實(shí)現(xiàn)了量子波函數(shù)的實(shí)驗(yàn)重建。波函數(shù)是一個(gè)用來預(yù)測(cè)量子粒子行為的抽象概念，也是物理學(xué)家理解量子力學(xué)的基礎(chǔ)。然而，這一基礎(chǔ)本身無論在字面上，還是在哲學(xué)意義上，都讓物理學(xué)家們感到十分棘手。

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半導(dǎo)體材料內(nèi)部電子被激光脈沖加速和激發(fā)的示意圖。在這個(gè)過程的最后，電子會(huì)釋放出一束閃光，其中攜帶著有關(guān)其量子波函數(shù)的信息

波函數(shù)無法被我們拿在手里，也不能放在顯微鏡下進(jìn)行觀察。而更令人困惑的是，波函數(shù)的一些性質(zhì)似乎不是真實(shí)的。事實(shí)上，數(shù)學(xué)家們會(huì)公開地將這些性質(zhì)以虛數(shù)進(jìn)行標(biāo)記，作為波函數(shù)預(yù)測(cè)現(xiàn)實(shí)世界實(shí)驗(yàn)結(jié)果過程中的重要組成部分。所謂虛數(shù)，字面意義上便是虛構(gòu)的數(shù)，比如負(fù)整數(shù)的平方根。簡(jiǎn)而言之，如果一個(gè)波函數(shù)可以被認(rèn)為“存在”，那它便模糊地存在于形而上學(xué)的數(shù)學(xué)與物理現(xiàn)實(shí)之間。

近日，美國加州大學(xué)圣巴巴拉分校的研究人員及其同行在連接這兩個(gè)領(lǐng)域方面取得了重大進(jìn)展：他們首次通過測(cè)量半導(dǎo)體材料對(duì)超快光脈沖的響應(yīng)，重建了波函數(shù)。該團(tuán)隊(duì)的研究成果發(fā)表在11月的《自然》（Nature）雜志上，或許將幫助電子工程和量子材料設(shè)計(jì)進(jìn)入一個(gè)精細(xì)理解和精確控制的新時(shí)代。

對(duì)于現(xiàn)實(shí)世界的應(yīng)用，例如現(xiàn)代電子學(xué)，略顯神秘的波函數(shù)是物理學(xué)家了解某些新裝置內(nèi)部實(shí)際情況的最佳途徑。為了預(yù)測(cè)電子在一種材料內(nèi)的運(yùn)動(dòng)速度或它能攜帶多少能量，研究人員必須從所謂的布洛赫波函數(shù)開始計(jì)算。這個(gè)波函數(shù)又名布洛赫態(tài)，由物理學(xué)家菲利克斯·布洛赫在1929年提出，后來便以他的名字命名。加州大學(xué)圣克魯茲分校的物理系學(xué)生、這項(xiàng)新研究的共同第一作者喬·科斯特洛表示，布洛赫波函數(shù)對(duì)量子工程設(shè)備尤其重要。他強(qiáng)調(diào)說：“在你考慮建造任何一種利用量子力學(xué)的設(shè)備時(shí)，你都需要很深入地了解它的（波函數(shù)）參數(shù)。”

這其中就包括波函數(shù)的所謂“相位”，一個(gè)完全虛構(gòu)的參數(shù)，但在設(shè)計(jì)量子計(jì)算機(jī)時(shí)往往至關(guān)重要�！伴L(zhǎng)期以來被表征的都是（電子的）能量。這是所有電子學(xué)的基礎(chǔ)，”美國密歇根大學(xué)的物理學(xué)家麥基洛·基拉說，“但現(xiàn)在，有了量子信息技術(shù)，下一個(gè)層級(jí)便是超越這些，最終獲得這些（波函數(shù)）相位�！彼喿x了該研究的早期草稿，但沒有直接參與這項(xiàng)工作。