近日，物理學家們創造了一個新的記錄，他們將一個由15萬億個原子組成的熱湯連接在一起，形成了一種稱為量子糾纏的奇異現象。這一發現是科學歷史上一次重大的突破，它可以幫助人類創造更精確的傳感器來探測時空中的波紋，也就是引力波，甚至是被認為瀰漫宇宙的難以捉摸的暗物質。然而這一切只是一個開始！
量子糾纏
到底什麼是量子糾纏呢？量子糾纏是一種量子現象，是一種純粹發生於量子系統的現象，因此在經典力學裡，找不到類似的現象。舉例來講，兩顆向相反方向移動但速率相同的電子，即使一顆飛到水星，一顆飛到柯伊伯帶，在如此遙遠的距離下，它們仍保有關聯性。這種關聯性超越了光速，阿爾伯特·愛因斯坦曾著名地描述為「遠處的幽靈行為」，簡單來講就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。量子糾纏是許多新興技術的核心，如量子計算和密碼學。
但是量子的糾纏態並不穩定，它們之間的量子鏈很容易被微小的內部振動或外部世界的幹擾所破壞，除非它們位於穩定的環境中，比如絕對零度。為此，科學家們在實驗中達到最冷的溫度，讓躁動的原子糾纏在一起，溫度越低，原子相互碰撞並破壞其相干性的可能性就越小。也就是說大多數與糾纏相關的量子技術必須應用於低溫環境，如冷原子系統。這限制了糾纏態的應用。那麼量子糾纏是否能夠在炎熱而混亂的環境中生存就變成了一個問題。在這項新的研究中，西班牙巴塞隆納的光子科學研究所（ICFO）的研究人員採取了相反的方法，將原子加熱到比一個典型的量子實驗高出數百萬倍的溫度，以觀察糾纏是否能在高溫混沌的環境中持續存在。
量子糾纏的實驗過程
在實驗中，研究人員將一個裝有蒸發銣和惰性氮氣的小玻璃管加熱到177攝氏度，這個溫度恰好是烘烤餅乾的最佳溫度。在這個溫度下，銣原子的熱雲處於混沌狀態，每秒發生數千次原子碰撞，原子彼此反彈，傳遞能量並旋轉。前面提到，在量子層面，已經不屬於經典力學的範疇，因此這種自旋並不代表原子的物理運動。
在量子力學中，自旋是粒子的一個基本性質，就像質量或電荷一樣，這是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，經典的類比就分崩離析了。像質子或電子這樣的粒子正在旋轉大小和形狀的固體物體，這種觀點並不符合量子世界觀。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，在量子力學中沒有中間子。幸運的是，由粒子旋轉產生的微小磁場使科學家能夠以多種獨特的方式測量自旋。其中之一涉及偏振光，即單一方向上震蕩的電磁波。我們所知道的光其實是一種電磁波，電磁波是橫波。而振動方向和光波前進方向構成的平面叫做振動面，光的振動面只限於某一固定方向的，叫做平面偏振光或線偏振光。
實驗結果
隨後研究人員向銣原子管發射了一束偏振光，因為原子的自旋就像微小的磁鐵，所以當光通過氣體並與它的磁場相互作用時，它的偏振會旋轉。這種輕原子相互作用在原子和氣體之間產生了大規模的糾纏。當研究人員測量從玻璃管另一側出來的光波的旋轉時，他們可以確定原子氣體的總自旋，從而將糾纏轉移到原子上，使原子處於糾纏狀態。
事實上，玻璃管內「又熱又亂」的環境是實驗成功的關鍵。原子處於物理學家所稱的宏觀自旋單重態，即糾纏粒子對的總自旋和為零的集合。最初糾纏的原子通過量子實驗中的碰撞進而相互傳遞它們的糾纏，交換它們的自旋，但始終保持總自旋為零，並保持集體糾纏狀態至少持續毫秒。例如，粒子A與粒子B糾纏在一起，但當粒子B擊中粒子C時，它會將兩個粒子與粒子C連接起來，以此類推。
在這個實驗中，大約每秒1000次的撞擊，大約有15萬億個原子被糾纏。一毫秒對原子來說是很長的時間，足夠長到大約50次隨機碰撞發生。這清楚地表明糾纏並沒有被這些隨機事件破壞，這是這項研究最令人驚訝的結果。
由於科學家們只能理解糾纏原子的集體態，因此他們的研究僅限於特殊用途。像量子計算機這樣的技術可能是不可能的，因為這個技術需要知道單個糾纏粒子的狀態來存儲和發送信息。
對人類的影響
不過，這項研究結果可能有助於開發超靈敏磁場探測器，能夠測量比地球磁場弱100多億倍的磁場。這種強大的磁強計在許多科學領域都有應用。例如，在神經科學的研究中，腦磁圖是通過檢測大腦活動發出的超微弱磁信號來獲取大腦圖像的。甚至在未來從腦成像到自動駕駛汽車，再到尋找暗物質等應用領域帶來更好的傳感器性能，這都是有可能的，期待人類在量子糾纏方面能夠有持續的進步。