近期科學家在450開爾文高溫下實現15萬億個原子的量子糾纏

2020-08-27 未來記2025

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。」

研究小組表示，這一發現可能會對某些領域有所幫助，特別是腦磁圖，這種磁腦成像技術可以通過利用這些氣體來探測來自大腦活動的極微弱的磁信號。

該研究的通訊作者Morgan Mitchell表示：「這一結果令人驚訝，跟所有人對戀愛瓶頸期的預期大相逕庭。我們希望這種巨大的糾纏態能在大腦成像、自動駕駛汽車和暗物質搜索等應用中帶來更好的傳感器性能。」

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