物理学家展示了一种通过直接观察获得描述孤立量子系统（例如原子气体）基本细节的新方法。 新方法提供了有关以前所未有的空间分辨率在系统特定位置发现原子的可能性的信息。 通过这种技术，科学家可以获得几十纳米级的细节——比病毒还小。 联合量子研究所 (JQI) 是美国国家标准与技术研究院 (NIST) 和马里兰大学之间的合作研究机构，其实验使用光栅（一种由数千个原子组成的激光网络）来确定概率 一个原子可能处于任何给定的位置。

因为晶格中的每个原子都像其他原子一样，对整个原子群的测量揭示了单个原子在空间中某个点的可能性。 联合量子研究所 (Joint Quantum Institute, JQI) 技术（以及芝加哥大学的一个小组同时发布的类似技术）可以产生原子位置的概率远低于用于照射原子的光的波长——更好 比光学显微镜通常可以分辨出极限高 50 倍，其结果发表在 Physical Review X 上。该研究背后的一位物理学家。 联合量子研究所 (JQI) 的 Trey Porto 说：“这证明了我们观察量子力学的能力，以前从未在原子中以如此精确的方式测量过。

研究团队使用激光和光学技术构建了原子波函数的图像（紫色）。 该图像是对该过程的艺术描绘，显示了瞄准悬浮在光学晶格（高白波）中的原子（球体）的显微镜物镜。 该团队以前所未有的细节揭示了有关原子波函数的信息。

物理学家为了理解一个量子系统，经常会谈到它的“波函数”。 它不仅仅是一个重要的细节，而是整个故事，它包含描述系统所需的所有信息。 “这是对系统的描述，如果你有关于波函数的信息，你就可以计算出关于它的所有其他信息，比如这个物体的磁性如何，它的导电性如何，以及它发射或吸收的可能性有多大 光。虽然波函数是数学表达式而不是物理对象，但该团队的方法可以揭示波函数所描述的行为：

量子系统以一种方式相对于另一种方式运行的概率 – 在量子力学的世界中，概率就是一切。 无论如何，对于一个足够简单的系统，量子力学是物理学家所熟知的，专家们可以在不观察的情况下根据第一性原理计算出波函数。 然而，许多有趣的系统都很复杂。 有些量子系统因为太难无法计算，比如由几个大原子组成的分子，这种方法可以帮助我们理解这些情况。 由于波函数只描述了一组概率，物理学家如何才能在短时间内全面了解波函数的影响呢？

该方法涉及同时测量大量相同的量子系统并将结果组合成一个整体。 这有点像同时掷 100,000 对骰子——每次掷出一个结果，并在概率曲线上贡献一个点，显示所有骰子的值。 该团队观察到的是大约 100,000 个镱原子悬浮在光学晶格中的激光位置。 镱原子与其邻居原子隔离开来，只能在一维线段上来回移动。 为了获得高分辨率图像，该团队找到了一种方法来查看这些线段的窄切片，以及每个原子出现在相应切片中的频率。 观察一个区域后，团队测量另一个区域，直到获得完整图像。

虽然他还没有想出可以利用该技术的“杀手级应用”，但该团队直接进入量子研究核心这一事实就足以让他着迷。 目前还不完全清楚这项技术将用于何处，但它是一项提供新机会的新技术。 多年来，光学晶格一直被用来捕获原子，现在它已成为一种新的测量工具。 量子力学的许多奇怪原理之一是，在我们测量物体的位置之前，物体可能没有精确的位置。 例如，原子核周围的电子不遵循规则的类行星轨道，这与我们中的一些人在学校所教授的形象相反。

相反，它们的作用就像涟漪，因此不能说电子本身具有确定的位置。 相反，电子位于空间的模糊区域。 所有物体都有这种类似波浪的行为，但对于任何大到可以用肉眼看到的东西，这种影响是难以察觉的，这是经典物理学的规则——我们不会注意到建筑物、水桶或面包屑像波浪一样传播。 但对于像原子这样的微小物体来说，这是一个不同的故事，它存在于量子力学效应占主导地位的大小领域。 不可能确切地说出它在哪里，只能说它会在某个地方被发现。 波函数提供了在任何给定位置发现原子的概率集。