控制量子：揭示了意想不到的量子態，是如何相互作用的細節

2020-05-08 博科園

在日常生活中，宏觀物質的行為方式是可預測可預期的，如果你扔一個球，你假設它會朝某個方向移動，並有一個可預測相互作用力。更重要的是，施加在一個物體上的力，不會對另一個獨立的物體產生影響。但在量子力學中，卻是完全不同的，在單量子粒子、雙粒子和三粒子系統中，發生在這個地方的行為，可以強烈地影響遠處的另一個量子粒子。

控制量子：揭示了意想不到的量子態，是如何相互作用的細節

科學家們還沒有完全了解這一點，但通過分析這些系統和更複雜系統的行為，科學家呢麼希望能找到破譯這些奇特現象的奧秘。衝繩科技研究生院(OIST)量子系統部的研究人員與都柏林大學學院和達勒姆大學合作者一起，模擬了其中一個系統，揭示了量子態是意想不到的（粒子在孤立系統中的排列方式）。其研究結果發表在《新物理學》期刊上，可以應用於量子技術。

控制量子：揭示了意想不到的量子態，是如何相互作用的細節

研究小組的負責人託馬斯·布希教授解釋說：如果你把一塊石頭扔出船，由於動量守恆，石頭朝這邊扔，船就會在相反的另一邊受到反作用力。在量子力學中，可以在更遠的距離上有更強的關聯性。這就好比如果你穿上一隻紅色襪子和一隻綠色襪子，那麼你從未見過的南極洲人也會這樣做，其研究發現了具有這些非常強關聯性的新狀態，而且這些關聯性可以很好地控制。

用兩個原子做實驗

當科學家研究宏觀系統時，他們傾向於觀察許多粒子（比如說1023個）。因為有太多的原子，不可能追隨每一個原子，必須做出假設。為了避免這種情況，這項研究中的研究人員使用了另一種選擇。第一作者Ayaka Usui說：我們模擬了一個只有兩個原子的系統。這為更大的系統提供了一個基石，但研究人員可以控制，準確地看到正在發生的事情，而且，為了進一步控制這個系統，還考慮了超冷原子。

控制量子：揭示了意想不到的量子態，是如何相互作用的細節

在室溫下，粒子移動得非常快，天氣越熱，它們移動的速度就越快。通過使用雷射冷卻，這些原子可以被減速和冷卻，直到它們達到幾乎為零的速度，從而處於超冷狀態，這使得研究人員更容易在模擬中描述它們。在這樣的系統中，粒子能做的最簡單事情就是相互碰撞，這迫使它們四處移動並改變方向，但粒子有一種叫做自旋的東西。粒子的自旋向上或向下指向，並進一步影響它的運動方式（即一種稱為自旋）軌道耦合的效應。

控制量子：揭示了意想不到的量子態，是如何相互作用的細節

當研究人員模擬具有兩個自旋-軌道耦合的超冷原子系統時，這些新狀態及其非常強的相關性被揭示出來。研究團隊的博士後學者託馬斯·福格蒂(Thomás Fogarty)博士說：系統有兩個粒子，在那裡會得到這些狀態，而在1023個粒子的系統中，不會得到這些狀態。沿著這一長串添加粒子的某個地方，這些新的狀態就消失了。除了新的狀態，研究還發現了準確描述這個系統的公式，所以現在，研究人員可以設計它了。

工程學上的進一步見解

通過找到這些公式，研究人員可以控制系統，現在研究人員計劃改變參數來觀察系統的動態。可以使用強關聯來幫助測量系統，如果在其中一個系統中發現一個原子，就知道另一個原子也在那個系統中，而不需要測量它，因為它們是緊密相關的。雖然這項研究只集中在量子力學能做的一小方面，但它有很多應用。量子技術需要這些關聯，這些新狀態具有已知的最強非經典相關性，從而可以設計它們。

控制量子：揭示了意想不到的量子態，是如何相互作用的細節

有了這項研究，可以建造更強大的計算機，可以創造出測量大腦中重力或電脈衝微小差異的測量設備，有如此多的應用，還需要更加努力的去研究。

博科園｜研究/來自：衝繩科學技術大學院大學

研究發表期刊《新物理學》

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