「令人驚奇的結果」:450開爾文高溫的15萬億個原子的量子糾纏

2020-11-29 量子認知

量子糾纏是一個微觀對象（如電子或原子）失去了獨立性的過程，通過該過程從而變得更好地相互協調。糾纏是量子技術的核心，它有望在計算、通信和傳感（例如檢測引力波）方面取得巨大進步。

眾所周知糾纏狀態是非常脆弱的：在大多數情況下，即使是很小的幹擾也可以消除糾纏。基於這個原因，當前的量子技術需要非常費力地將與它們一起工作的微觀系統分離，並且通常需在接近絕對零的溫度下運行。

最近，位於西班牙巴塞隆納的光子科學研究所（Institute of Photonic Sciences，簡稱ICFO）的科學家們將一組原子加熱到了450開爾文溫度，也就176.85°C攝氏度高溫，這比大多數用於量子技術的原子加熱了達數百萬倍。而且，各個原子絕不是孤立的，它們每隔幾微秒彼此碰撞，每次碰撞使它們的電子朝隨機方向旋轉。如下圖所示原子云與成對糾纏的粒子，成對的粒子相互纏結，以黃藍色線條表示。

研究人員使用雷射監控這種熱的混沌氣體的磁化強度。磁化是由原子中旋轉的電子引起的，並提供了一種研究碰撞影響和檢測糾纏的方式。研究人員觀察到的是大量糾纏的原子，比以前觀察到的原子多約100倍。他們還看到糾纏是非局部的，它涉及彼此不靠近的原子。在任何兩個糾纏的原子之間，還有15萬億的原子，其中許多原子與其他原子糾纏在一起，處於巨大的、熾熱且混亂的糾纏狀態。

如上圖所示，玻璃小管的圖片，其中銣金屬與氮氣混合併加熱到450開氏溫度。在如此高的溫度下，金屬蒸發，生成游離的銣原子，這些原子在小管內部擴散。

這一最新研究成果，發表在今天的《自然通訊》上。

該研究論文第一作者為在西班牙光子科學研究所從事研究的杭州電子科技大學的中國學者Jia Kong。他回憶說，他們還看到，「如果我們停止測量，糾纏將保持約1毫秒，這意味著每秒將有1000次新的15萬億個原子糾纏。1毫秒對於原子來說已是很長的時間了，足夠長到足以發生約五十次隨機碰撞。這清楚表明，這些隨機事件不會破壞糾纏。這也許是這項工作最令人驚奇的結果。」

自旋單重態和量子非破壞測量

自旋單重態（英語：spin singlet state）是糾纏的一種形式，其中多個粒子的自旋的固有角動量總計為零，這意味著系統的總角動量為零。在這項研究中，研究人員應用了量子非破壞測量技術來提取數萬億個原子自旋的信息。

量子非破壞測量，英語：Quantum Non-Demolition measurement，簡稱QND，是量子系統的一種特殊類型的測量，其中在系統的後續正常演化過程中，可觀測對象的不確定性不會從其可觀測值增加。這必然要求測量過程保持被測系統的物理完整性，而且對測得的可觀測值與系統的自哈密頓量之間的關係提出要求。從某種意義上說，QND測量是量子力學中「最經典」且幹擾最小的測量類型。

該技術使具有特定能量的雷射光子穿過原子氣。這些具有這種精確能量的光子不會激發原子，但是它們本身會受到相遇的影響。原子的自旋就如磁鐵一般旋轉光的偏振。通過測量光子穿過這個雲層後極化的變化量，研究人員能夠確定原子氣的總自旋。

自旋交換無弛豫磁力計

該磁力計是在一種稱為自旋交換無弛豫的狀態下工作的，遠離研究人員通常用來研究糾纏原子的絕對零溫度。自旋交換無弛豫磁力計，英語：Spin Exchange Relaxation-Freemagnetometer，簡稱SERF。

該磁力計在2000年代早期由普林斯頓大學所開發出來。SERF磁力計通過使用雷射檢測蒸汽中金屬原子與磁場之間的相互作用來測量磁場。該技術的名稱源於以下事實：在這些磁力計中避免了自旋交換弛豫，該機制通常會擾亂原子自旋的取向。這通過使用高原子密度和非常低的磁場來完成。在這些條件下，原子的自旋速度與其磁旋進頻率相比快，因此平均自旋會與磁場相互作用，並且不會因退相干而被破壞。

自旋交換碰撞保留了一對碰撞原子的總角動量，但可以擾亂原子的超精細狀態。 不同超精細狀態的原子不會相干，因此會限制原子的相干壽命。 但是，如果自旋交換碰撞發生的速度比原子的進動頻率快得多，則幾乎可以消除由於自旋交換碰撞引起的退相干。 在這種快速自旋交換狀態下，集合體中的所有原子都會快速改變超精細狀態，在每個超精細狀態中花費相同的時間，並使自旋集合體進動更慢，但保持相干。 可以通過在足夠高的金屬密度在較高溫度下和足夠低的磁場中進行操作來達到這種所謂的自旋交換無弛豫機制。

在這種情況下，任何原子都會與其他相鄰原子發生許多隨機碰撞，從而使碰撞對原子狀態產生最重要的影響。另外，由於它們處於熱介質中而不是超冷介質中，因此碰撞使任意給定原子中的電子自旋迅速隨機化。令人驚訝的是，該研究實驗表明，這種擾動不會破壞糾纏態，它只會使糾纏從一個原子傳遞到另一個原子。

對這種熱而混亂的糾纏狀態的觀察，為超靈敏磁場檢測鋪平了道路。例如，在腦磁成像中，新一代傳感器使用這些相同的高溫高密度原子氣體來檢測由大腦活動產生的磁場。新結果表明，糾纏可以提高該技術的靈敏度，該技術已在基礎腦科學和神經外科領域得到應用。

該研究論文主導之一、西班牙巴塞隆納的光子科學研究所Morgan Mitchell教授表示，「這一結果令人驚奇，與每個人對糾纏過去的認知大相逕庭。」「我們希望這種巨大的糾纏態將在從大腦成像、到自動駕駛汽車、到暗物質搜索等應用中帶來更好的傳感器性能。」

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