物理學家實現15萬億個熱原子間的量子糾纏

物理學家創造了一項新的記錄，他們將15萬億個熱原子連接在一起，產生一種叫做量子糾纏的奇異現象。這一發現可能是製造更精確傳感器的重大突破，用於探測被稱為引力波的時空漣漪，甚至是被認為遍及宇宙的難以捉摸的暗物質。

糾纏，阿爾伯特·愛因斯坦描述為「遠距離幽靈般的作用」的量子現象，是指兩個或多個粒子連接在一起的過程，在一個粒子上進行的任何動作都會立即影響到其他粒子，不管它們之間有多遠。糾纏是許多新興技術的核心，比如量子計算和密碼學。

糾纏態因其脆弱而臭名昭著;它們的量子連接很容易被最輕微的內部振動或來自外部世界的幹擾打破。出於這個原因，科學家們試圖在實驗中達到儘可能低的溫度來糾纏抖動的原子;溫度越低，原子相互撞擊並破壞其一致性的可能性就越小。在新的研究中，位於西班牙巴塞隆納的光子科學研究所(ICFO)的研究人員採用了相反的方法，將原子加熱到比典型量子實驗溫度高數百萬倍的溫度，以觀察糾纏態是否能在炎熱而混亂的環境中持續存在。

原子在『熱又亂』環境下的糾纏

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350華氏度(177攝氏度)，恰好是烤餅乾的最佳溫度。在這個溫度下，熱的銣原子云團處於混沌狀態，每秒會發生數千次原子碰撞。就像撞球一樣，原子相互反彈，傳遞能量和自旋。但與經典撞球不同的是，這種自旋並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，賦予粒子一個固有的角動量。在許多方面，粒子的自旋類似於旋轉的行星，既具有角動量，又產生一個弱磁場，稱為磁矩。但在量子力學這個古怪的世界裡，經典的類比是行不通的。當科學家試圖測量一個粒子的自旋時，他們得到了兩個答案中的一個:向上或向下。在量子力學中不存在中間態。

幸運的是，粒子自旋產生的微小磁場允許科學家們用許多獨特的方法來測量自旋。其中一種是偏振光，即在一個方向上振蕩的電磁波。

研究人員向一管銣原子發射了一束偏振光。由於原子的自旋就像微小的磁鐵，光的偏振在穿過氣體並與磁場相互作用時發生旋轉。這種光和原子的相互作用產生了原子和氣體之間的大規模糾纏。當研究人員測量從玻璃管另一側發出的光波的旋轉時，他們可以確定氣體原子的總自旋，從而將糾纏轉移到原子上，使它們處於糾纏態。

事實上，玻璃管內部「又熱又亂」的環境是實驗成功的關鍵。這些原子處於物理學家所說的宏觀自旋單線態，即糾纏粒子對的總自旋和為零的集合。在量子標記遊戲中，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，並允許集體糾纏狀態至少維持一毫秒。例如，粒子A和粒子B糾纏在一起，但是當粒子B碰撞粒子C時，它會把AB兩個粒子和粒子C聯繫起來，以此類推。

由於科學家們只能理解糾纏原子的集體狀態，他們的研究應用僅限於特殊用途。像量子計算機這樣的技術可能是不可能的，因為需要知道單個糾纏粒子的狀態才能存儲和發送信息。

然而，他們的研究結果可能有助於開發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。這種強力磁力儀在許多科學領域都有應用。例如，在神經科學的研究中，腦磁圖被用來通過探測大腦活動發出的超微弱的磁性信號來拍攝大腦圖像。