量子研究重大突破!量子糾纏首次在宏觀物體中實現!

2020-12-04 火星科普
宏觀物體的量子糾纏

1935年,愛因斯坦與其他物理學家提出,量子力學會出現一種「幽靈般的超距作用」,以此來反對量子力學。數十年過去了,量子力學已經發展成為自然的基本理論,這種被稱作量子糾纏的超距作用也已經被證實。量子糾纏允許物體在任意距離上相互影響,且不需要任何直接的交互。這一現象既違背了經典物理學,也顛覆了我們對現實的常識性理解。

如今,量子糾纏被認為是量子力學的基石,此前已經在微觀粒子(比如原子)的實驗中被證明存在。在未來的幾十年裡,量子糾纏也是許多潛在的量子技術變革的關鍵基礎,如量子計算和加密信息傳輸。

然而,量子糾纏是極其脆弱的,如果糾纏的粒子與周圍的環境相互作用(比如熱擾動),它就會消失。長久以來,在比原子或分子更大的物體之間發生糾纏都被認為是荒謬的。然而,就在最近,阿爾託大學(Aalto University)應用物理系教授Mika Sillanp教授帶領的一個研究團隊現在已經證明事實並非如此。

量子糾纏

在這項新研究中,物理學家成功地把兩種幾乎肉眼可見的不同運動物體轉變為糾纏的量子態,它們可以通過超距作用互相感受。實驗中的對象是兩個振動的鼓膜,它們是由置於矽晶片上的金屬鋁片製成(見頭圖)。相較於原子尺度,鼓膜巨大且宏觀,它們的直徑達到15微米,幾乎與人類頭髮的直徑相當。

Sillanp教授表示,振動的部分是通過超導微波電路進行交互的。電路中的電磁場會帶走一切熱擾動,只留下量子力學的振動。

消除所有形式的外部噪音對實驗來說是至關重要的,這就是為什麼它們必須在接近絕對零度的極低溫度下進行,即零下273攝氏度。值得注意的是,這種實驗研究法可以讓這種不尋常的糾纏狀態持續很長一段時間。在此次實驗中,糾纏狀態持續可長達半個小時。相比之下,微觀粒子的糾纏只持續了不到一秒。

量子隱形傳態

未來,研究團隊還將嘗試遠距傳輸機械振動。在量子隱形傳態中,物理實體的屬性可以利用「幽靈般的超距作用」在任意距離上傳輸。不過,想要最終實現還有很長的路要走。

這項研究結果表明,我們有可能控制那些大小接近我們日常生活所接觸到物體的最脆弱特性。這一成就為新型量子技術打開了大門,糾纏的鼓膜可以被用作路由器或傳感器。這一發現也使基礎物理學的新研究成為可能,例如,引力和量子力學之間的相互作用。

目前,這項重要的研究成果已經發表在頂級科學期刊《自然》(Nature)雜誌上。

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