量子糾纏效應(yīng)使微觀粒子彼此間建立很好的關(guān)聯(lián)性，是量子技術(shù)的核心，有望在量子計(jì)算、量子通信和量子傳感等領(lǐng)域取得突破
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(ài)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(gè)或多個(gè)粒子關(guān)聯(lián)在一起的過(guò)程，不管它們之間的距離有多遠(yuǎn)，在一個(gè)粒子上進(jìn)行的任何動(dòng)作都會(huì)立即影響到其他粒子。量子糾纏是許多新興技術(shù)的核心，比如量子計(jì)算和密碼學(xué)，并有望在量子計(jì)算、量子通信和量子傳感等領(lǐng)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(guān)聯(lián)很容易被最輕微的內(nèi)部振動(dòng)，或來(lái)自外部世界的干擾打破。出于這個(gè)原因，科學(xué)家們?cè)趯?shí)驗(yàn)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(xué)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(kāi)爾文，比典型量子實(shí)驗(yàn)的溫度高數(shù)百萬(wàn)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(shù)之一，但其脆弱性是出了名的，”該研究第一作者、在ICFO進(jìn)行訪(fǎng)問(wèn)的科學(xué)家孔嘉說(shuō)，“大多數(shù)與糾纏有關(guān)的量子技術(shù)必須在低溫環(huán)境中實(shí)現(xiàn)，比如冷原子系統(tǒng)。這限制了糾纏態(tài)的應(yīng)用。糾纏態(tài)是否能在高溫而混亂的條件下存在是一個(gè)有趣的問(wèn)題?！?/p>
熾熱且無(wú)序
糾纏原子的示意圖。原子云由相互糾纏的成對(duì)原子組成，黃藍(lán)線(xiàn)表示一對(duì)原子間的糾纏
研究人員將一個(gè)裝滿(mǎn)汽化銣和惰性氮?dú)獾男〔ＡЧ芗訜岬?77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(tuán)處于混沌狀態(tài)，每秒會(huì)發(fā)生數(shù)千次原子碰撞。這些原子就像臺(tái)球一樣相互反彈，傳遞能量和自旋。但與臺(tái)球不同的是，這種自旋并不代表原子的物理運(yùn)動(dòng)。
在量子力學(xué)中，自旋是粒子的基本屬性，就像質(zhì)量或電荷一樣，賦予粒子內(nèi)在的角動(dòng)量。在許多方面，粒子的自旋使其類(lèi)似于旋轉(zhuǎn)的行星，既具有角動(dòng)量，又產(chǎn)生一個(gè)弱磁場(chǎng)，稱(chēng)為磁矩。但在量子力學(xué)的古怪世界里，這樣的類(lèi)比并不成立；在量子的世界觀中，質(zhì)子或電子等粒子并不能看作正在旋轉(zhuǎn)的具有一定大小和形狀的固體。當(dāng)科學(xué)家試圖測(cè)量一個(gè)粒子的自旋時(shí)，他們只能得到兩種答案之一：向上或向下。在量子力學(xué)中不存在中間狀態(tài)。
幸運(yùn)的是，粒子自旋產(chǎn)生的微小磁場(chǎng)允許科學(xué)家用多種獨(dú)特的方法測(cè)量自旋。其中一種方法是利用偏振光，即在一個(gè)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(guò)氣體并與磁場(chǎng)相互作用時(shí)發(fā)生旋轉(zhuǎn)。這種光和原子的相互作用導(dǎo)致了原子和氣體之間的大規(guī)模糾纏。當(dāng)研究人員測(cè)量從玻璃管另一端出來(lái)的光子偏振的變化量時(shí)，他們就可以確定氣體原子總的自旋信息。
“我們的測(cè)量是基于光與原子的相互作用，”孔嘉說(shuō)，“在合適的條件下，這種相互作用會(huì)導(dǎo)致光和原子之間的關(guān)聯(lián)，如果進(jìn)行適當(dāng)?shù)臏y(cè)量，這種關(guān)聯(lián)就會(huì)轉(zhuǎn)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(jī)碰撞并沒(méi)有破壞糾纏?！?/p>
事實(shí)上，玻璃管內(nèi)部“熾熱而混亂”的環(huán)境正是實(shí)驗(yàn)成功的關(guān)鍵。這些原子處于物理學(xué)家所說(shuō)的宏觀自旋單態(tài)，即糾纏粒子對(duì)的自旋總和為零的集合。最初糾纏在一起的原子通過(guò)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(gè)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(dāng)粒子B與粒子C碰撞時(shí)，這兩個(gè)粒子會(huì)與粒子C關(guān)聯(lián)起來(lái)，以此類(lèi)推。
孔嘉在一份聲明中指出，這“意味著每1毫秒將有15萬(wàn)億原子產(chǎn)生新的糾纏。1毫秒對(duì)于原子而言是很長(zhǎng)的一段時(shí)間，足夠發(fā)生大約50次隨機(jī)碰撞。這清楚地表明，糾纏并沒(méi)有被這些隨機(jī)事件所破壞。這可能是這項(xiàng)研究中最令人驚訝的結(jié)果。”
由于科學(xué)家目前只了解糾纏原子的集體狀態(tài)，因此他們的研究應(yīng)用還十分有限。像量子計(jì)算機(jī)這樣的技術(shù)暫時(shí)還不在考慮范圍內(nèi)，因?yàn)樾枰绬蝹€(gè)糾纏粒子的狀態(tài)才能存儲(chǔ)和發(fā)送信息。不過(guò)，這項(xiàng)研究結(jié)果可能有助于開(kāi)發(fā)超靈敏的磁場(chǎng)探測(cè)器，能夠測(cè)量比地球磁場(chǎng)弱100億倍的磁場(chǎng)。這種強(qiáng)大的儀器將在許多科學(xué)領(lǐng)域都有應(yīng)用前景。例如，在神經(jīng)科學(xué)的研究中，腦磁圖描記術(shù)（magnetoencephalography）可以通過(guò)探測(cè)大腦活動(dòng)發(fā)出的超微弱磁性信號(hào)來(lái)拍攝大腦圖像。
ICFO的物理學(xué)教授、實(shí)驗(yàn)室組長(zhǎng)摩根·米切爾（Morgan Mitchell）在聲明中說(shuō)：“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(dòng)駕駛汽車(chē)和尋找暗物質(zhì)等應(yīng)用中有更好的性能表現(xiàn)。”他們的研究結(jié)果于5月15日在線(xiàn)發(fā)表在《自然-通訊》（Nature Communications）雜志上。
