北京時間 7 月 13 日消息，據(jù)國外媒體報道，在近期的一項研究中，物理學家創(chuàng)造了一項新的記錄，他們將 15 萬億個原子組成的 “熱云”通過量子糾纏的方式關聯(lián)起來。該發(fā)現(xiàn)或許將成為一項重大突破，幫助科學家制造更精確的傳感器，用于探測引力波或可能遍布宇宙的神秘暗物質。
量子糾纏是一種純粹發(fā)生在量子系統(tǒng)中的現(xiàn)象，被愛因斯坦描述為 “鬼魅般的超距作用”。具體而言，量子糾纏是指兩個或多個粒子關聯(lián)在一起的過程，不管它們之間的距離有多遠，在一個粒子上進行的任何動作都會立即影響到其他粒子。量子糾纏是許多新興技術的核心，比如量子計算和密碼學，并有望在量子計算、量子通信和量子傳感等領域取得巨大成就。
量子糾纏態(tài)以其脆弱性而聞名;粒子之間的量子關聯(lián)很容易被最輕微的內部振動，或來自外部世界的干擾打破。出于這個原因，科學家們在實驗中要保持盡可能低的溫度，避免量子系統(tǒng)受到影響;溫度越低，原子相互撞擊并破壞其一致性的可能性就越小。在新的研究中，西班牙巴塞羅那光子科學研究所(ICFO)的研究人員采用了相反的方法，他們將原子加熱到 450 開爾文，比典型量子實驗的溫度高數(shù)百萬倍，以觀察糾纏態(tài)是否能在高溫混亂的環(huán)境中持續(xù)存在。
“量子糾纏是最引人注目的量子技術之一，但其脆弱性是出了名的，”該研究第一作者、在 ICFO 進行訪問的科學家孔嘉說，“大多數(shù)與糾纏有關的量子技術必須在低溫環(huán)境中實現(xiàn)，比如冷原子系統(tǒng)。這限制了糾纏態(tài)的應用。糾纏態(tài)是否能在高溫而混亂的條件下存在是一個有趣的問題。”
熾熱且無序
糾纏原子的示意圖。原子云由相互糾纏的成對原子組成，黃藍線表示一對原子間的糾纏
研究人員將一個裝滿汽化銣和惰性氮氣的小玻璃管加熱到 177 攝氏度，恰好是烤餅干的最佳溫度。在這一溫度下，熱的銣原子云團處于混沌狀態(tài)，每秒會發(fā)生數(shù)千次原子碰撞。這些原子就像臺球一樣相互反彈，傳遞能量和自旋。但與臺球不同的是，這種自旋并不代表原子的物理運動。
在量子力學中，自旋是粒子的基本屬性，就像質量或電荷一樣，賦予粒子內在的角動量。在許多方面，粒子的自旋使其類似于旋轉的行星，既具有角動量，又產(chǎn)生一個弱磁場，稱為磁矩。但在量子力學的古怪世界里，這樣的類比并不成立;在量子的世界觀中，質子或電子等粒子并不能看作正在旋轉的具有一定大小和形狀的固體。當科學家試圖測量一個粒子的自旋時，他們只能得到兩種答案之一：向上或向下。在量子力學中不存在中間狀態(tài)。
幸運的是，粒子自旋產(chǎn)生的微小磁場允許科學家用多種獨特的方法測量自旋。其中一種方法是利用偏振光，即在一個方向上振蕩的電磁波。研究人員向銣原子管發(fā)射了偏振激光束。由于原子的自旋就像微小的磁鐵，使偏振光在穿過氣體并與磁場相互作用時發(fā)生旋轉。這種光和原子的相互作用導致了原子和氣體之間的大規(guī)模糾纏。當研究人員測量從玻璃管另一端出來的光子偏振的變化量時，他們就可以確定氣體原子總的自旋信息。
“我們的測量是基于光與原子的相互作用，”孔嘉說，“在合適的條件下，這種相互作用會導致光和原子之間的關聯(lián)，如果進行適當?shù)臏y量，這種關聯(lián)就會轉移到原子中，從而在原子之間產(chǎn)生糾纏。令人驚訝的是，這些隨機碰撞并沒有破壞糾纏。”
事實上，玻璃管內部 “熾熱而混亂”的環(huán)境正是實驗成功的關鍵。這些原子處于物理學家所說的宏觀自旋單態(tài)，即糾纏粒子對的自旋總和為零的集合。最初糾纏在一起的原子通過碰撞將它們的糾纏傳遞給彼此，交換它們的自旋，但保持總自旋為零，并允許整個量子系統(tǒng)的糾纏狀態(tài)至少維持一毫秒。例如，粒子 A 和粒子 B 糾纏在一起，但是當粒子 B 與粒子 C 碰撞時，這兩個粒子會與粒子 C 關聯(lián)起來，以此類推。
孔嘉在一份聲明中指出，這 “意味著每 1 毫秒將有 15 萬億原子產(chǎn)生新的糾纏。1 毫秒對于原子而言是很長的一段時間，足夠發(fā)生大約 50 次隨機碰撞。這清楚地表明，糾纏并沒有被這些隨機事件所破壞。這可能是這項研究中最令人驚訝的結果。”
由于科學家目前只了解糾纏原子的集體狀態(tài)，因此他們的研究應用還十分有限。像量子計算機這樣的技術暫時還不在考慮范圍內，因為需要知道單個糾纏粒子的狀態(tài)才能存儲和發(fā)送信息。不過，這項研究結果可能有助于開發(fā)超靈敏的磁場探測器，能夠測量比地球磁場弱 100 億倍的磁場。這種強大的儀器將在許多科學領域都有應用前景。例如，在神經(jīng)科學的研究中，腦磁圖描記術(magnetoencephalography)可以通過探測大腦活動發(fā)出的超微弱磁性信號來拍攝大腦圖像。
ICFO 的物理學教授、實驗室組長摩根 · 米切爾(Morgan Mitchell)在聲明中說：“我們希望這種大尺度的糾纏態(tài)能提升傳感器的靈敏度，包括在大腦成像、自動駕駛汽車和尋找暗物質等應用中有更好的性能表現(xiàn)。”他們的研究結果于 5 月 15 日在線發(fā)表在《自然 - 通訊》(Nature Communications)雜志上。
關鍵詞： 量子糾纏
責任編輯：Rex_01
