中国科大首次实现三个力学量的不确定关系的实验检验

中国科学技术大学杜江峰院士领衔的研究团队和理论合作者首都师范大学费少明教授研究组，利用金刚石中的单自旋体系，首次实验检验了一类包含角动量三个分量的不确定关系。研究成果发表在5月4日的《物理评论快报》上 [Phys. Rev. Lett. 118, 180402 (2017)]。

不确定原理是海森堡于1927年首次提出的。随后几年里，罗伯逊、薛定谔等人陆续导出了若干严格的不确定关系。作为量子力学中的一个著名结论，不确定关系告诉人们：在一个遵循量子力学规律的体系中，两个不对易的力学量（例如位置和动量）一般不能同时具备确定的值。不确定关系违背了人们的日常生活经验，却是量子物理体系的重要特征。

近一个世纪以来，人们用各种各样的关系式描述不确定原理，但通常只涉及两个力学量。直接从包含两个力学量的不确定关系出发，一般难以得到包含多个力学量的紧凑的不确定关系。因此，为了导出包含多个力学量的紧凑的关系式，往往需要另辟蹊径。

在本工作中，研究人员在理论上导出了包含角动量三个分量的罗伯逊不确定关系。这一新的不确定关系不能从已有的不确定关系直接得到，因此是对角动量不确定关系的一项有价值的补充。进一步，研究人员在金刚石氮-空位缺陷自旋体系上，对这一新的不确定关系进行了实验检验。该物理体系是固态单自旋量子体系，易于初始化、操控和读出，是当前发展较为成熟的量子调控实验体系，在构建室温固态量子计算机和实现量子精密测量等研究中具有很好的应用前景。

在具体实验中，研究人员利用其前期发展的成熟实验技术，制备出一系列高精度的单自旋量子态，针对每一个量子态，通过多次重复实验测量了自旋角动量各分量的期望值和标准差。经过严格的数据处理和分析，实验结果支持了新的不确定关系。该工作丰富了多个力学量的不确定关系，尤其是角动量的不确定关系。

此外，杜江峰院士领衔的研究团队此前利用自旋体系，对一类基于统计距离的不确定关系进行了首次实验检验 [Phys. Rev. Lett. 116, 160405 (2016)]。

上述研究得到了国家自然科学基金委、科技部、教育部和中国科学院的支持。

论文链接：https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.118.180402

（中科院微观磁共振重点实验室、物理学院、微尺度物质科学国家实验室、量子信息与量子科技前沿创新中心、科研部）