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物理學家創造了一項新的記錄，他們將15萬億個原子組成的熱湯連接在一起，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，可以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。
糾纏是一種量子現象，阿爾伯特·愛因斯坦曾描述為「幽靈般的距離作用」，是兩個或多個粒子相互連接的過程，是兩個或多個粒子相互連接的過程，在其中一個粒子上執行的任何動作都會瞬間影響其他粒子，而不管它們相距多遠。糾纏是許多新興技術的核心，如量子計算和密碼學。
糾纏態的特點是其脆弱性，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混亂的環境中持續存在。
事情變得又熱又亂
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177攝氏度。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，賦予粒子內在的角動量。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。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之一：向上或向下。幸運的是，粒子自旋產生的微小磁場允許科學家用多種獨特的方法測量自旋。其中一種是偏振光，即在一個方向上振蕩的電磁波。
研究人員向銣原子管發射了一束偏振光。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。這種光原子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邊出來的光波的旋轉時，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。令人驚訝的是，這些隨機碰撞並沒有破壞糾纏。
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，它會把前兩個粒子和粒子C聯繫起來，以此類推。
這意味著每秒1000次，新一批15萬億個原子被糾纏。一毫秒對原子來說是很長的時間，足夠發生大約50次隨機碰撞。這清楚地表明糾纏並沒有被這些隨機事件破壞。
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。