研究人員首次實現15萬億個原子的高溫糾纏態

​量子糾纏是電子或原子等微觀物體失去其個體性而變得更好地相互協調的過程。量子糾纏是量子技術的核心，該技術有望在計算、通信和傳感(例如探測引力波)方面取得巨大進步。

糾纏態是出了名的脆弱，在大多數情況下，即使是一個微小的擾動也會破壞糾纏態。由於這個原因，目前的量子技術花了很大力氣來分離它們所使用的微觀系統，並且通常在接近絕對零度的溫度下工作。相比之下，一組科學家團隊在最近的一次實驗中，將一組原子加熱到450開爾文，比量子技術中使用的大多數原子要熱數百萬倍。此外，單個原子絕不是孤立的，它們每隔幾微秒就會相互碰撞一次，每次碰撞都會使它們的電子向隨機的方向旋轉。

研究人員使用雷射來監測這種高溫混沌氣體的磁化。磁化是由原子中的自旋電子引起的，為研究碰撞效應和探測糾纏提供了一種方法。研究人員觀察到的是大量的相互糾纏的原子，比以前觀察到的要多100倍。他們還發現，這種糾纏是非局域的，它涉及的原子彼此並不靠近。在任何兩個糾纏的原子之間，都有成千上萬的其他原子，其中許多原子還與其他原子糾纏在一起，處於巨大、熾熱而混亂的糾纏狀態。

研究人員說：「如果我們停止測量，糾纏會持續大約1毫秒，這意味著每秒1000次，一批新的15萬億原子會被糾纏。你一定認為1毫秒對於原子來說是很長的時間，足夠長到發生50次隨機碰撞。這清楚地表明糾纏不是被這些隨機事件所破壞的。這可能是這項研究最令人驚訝的結果。」

對這種熱而混亂的糾纏態的觀測為超靈敏的磁場探測鋪平了道路。例如，在腦磁成像(磁腦成像)中，新一代的傳感器使用同樣的高溫、高密度的原子氣體來檢測大腦活動產生的磁場。新的結果表明，纏結可以提高該技術的靈敏度，在基礎腦科學和神經外科中有應用。

該研究的領導者說：「這一結果令人驚訝，與所有人所期待的『糾纏』完全不同。我們希望這種巨大的糾纏態將使傳感器在大腦成像、自動駕駛汽車和暗物質搜索等應用中表現更好。」

自旋單線態和量子非破壞測量

自旋單線態是一種纏結形式，其中多個粒子的自旋加起來為0，這意味著系統的總角動量為0。在這項研究中，研究人員應用量子非破壞(QND)測量來提取數萬億個原子的自旋信息。

該技術通過原子氣體傳遞具有特定能量的雷射光子。具有這種精確能量的光子不會激發原子，但它們自身會受到碰撞的影響。原子的自旋像磁鐵一樣使光的偏振發生旋轉。通過測量光子穿過雲後的偏振變化，研究人員能夠確定原子氣體的總自旋。

當前的磁強計工作在一種稱為SERF的狀態下，遠離研究人員通常用來研究糾纏原子的接近絕對零的溫度。在這種情況下，任何原子都會與其他相鄰原子發生多次隨機碰撞，從而使碰撞成為對原子狀態最重要的影響。

此外，由於它們是在熱介質中而不是在超冷介質中，碰撞會迅速使任何給定原子中電子的自旋隨機化。令人驚訝的是，實驗表明，這種擾動並沒有破壞糾纏態，它只是將糾纏從一個原子傳遞到另一個原子。