萬億個糾纏的原子在高溫裡熱舞—新聞—科學網

2020-12-22 科學網

 

日前，杭州電子科技大學女教授孔嘉與巴塞隆納光子科學研究院（ICFO）、巴斯克大學（UPV）的研究人員開展合作，在高溫原子糾纏上取得突破，從而在量子精密測量領域取得重要進展。相關成果5月15日發表在《自然通訊》上。

 

經過4年的潛心研究，孔嘉等研究人員在190攝氏度（463開爾文）熾熱、無序原子氣體中成功製備並觀測到了前所未有的大尺度原子糾纏態，糾纏原子的數目高達10的13次方，刷新世界上迄今為止的最高記錄，超出原有記錄兩個數量級。

 

全球科技新聞服務網站EurekAlert也以「15萬億個「熱舞」原子無序糾纏」為題，對此項研究進行了報導，因為與高靈敏的SERF原子磁力計所採用的傳感介質和工作環境完全相同，從而證明了「糾纏態可用於高溫的量子傳感和精密測量」。

 

孔嘉解釋道，糾纏的製備，好比建立人與人之間的默契，比較文學的說法是「心有靈犀」。在經過統一訓練的戰友之間，比較容易培養出這種默契。相比之下若要在自由散漫的普通人之間培養出「心有靈犀」的默契極具挑戰。據了解，熱原子氣體因其熾熱和無序的特性被比作自由散漫的普通人，而冷原子因其統一化一的運動秩序被比作井然有序的軍人或戰士（引自早年Nature雜誌編輯評語）。二者區別類似於白熾燈和雷射的區別。

 

「不難想像在冷原子氣體（類似戰友）中，更容易製備和維持糾纏等量子關聯特性（默契），而想要在熱原子氣體（類似自由散漫的普通人）中建立量子關聯（心有靈犀的默契）便要面臨更多的挑戰，且考慮到原子隨著溫度升高越來越猛烈的碰撞因素，想要在熱原子氣體中維持量子特性更是難上加難。」孔嘉說，「因而以往的量子糾纏相關的技術和應用多在冷原子或低溫環境下來實現，這大大限制了糾纏的用武之地。」

 

例如，目前最靈敏的原子磁力計——SERF磁力計，正是以100-200攝氏度的高溫原子為傳感介質的。糾纏態能否在如此熾熱無序的熱原子氣體製備和維持，是一個有待解決的難題，如果能得以解決勢必有著廣闊的應用前景。

 

這一基礎研究成果有望在量子計算、量子通信和量子傳感（例如磁場探測）等方面獲得廣泛應用。巴塞隆納光子科學研究所的 Morgan Mitchell教授說：「這一結果與我們通常對糾纏的期望完全相反。」 他補充說道，「我們希望這種大尺度的糾纏態能夠提升傳感器的靈敏度，包括在大腦成像、自動駕駛汽車以及暗物質探測等應用中實現更好的傳感性能。」

 

相關論文信息：https://doi.org/10.1038/s41467-020-15899-1

 

 

 

封裝著銣金屬和氮氣混合物的玻璃氣室的照片。該氣室將被加熱到450開爾文的高溫，使得銣金屬蒸發為游離態的原子氣體，充滿了整個氣室。ICFO供圖

 

 

糾纏原子云的示意圖，其中黃藍線條表示一對原子間的糾纏。ICFO供圖

 

 

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