创造新纪录：物理学家实现15万亿个热原子的量子纠缠

量子纠缠效应使微观粒子彼此间建立很好的关联性，是量子技术的核心，有望在量子计算、量子通信和量子传感等领域取得突破

量子纠缠是一种纯粹发生在量子系统中的现象，被爱因斯坦描述为“鬼魅般的超距作用”。具体而言，量子纠缠是指两个或多个粒子关联在一起的过程，不管它们之间的距离有多远，在一个粒子上进行的任何动作都会立即影响到其他粒子。量子纠缠是许多新兴技术的核心，比如量子计算和密码学，并有望在量子计算、量子通信和量子传感等领域取得巨大成就。

量子纠缠态以其脆弱性而闻名；粒子之间的量子关联很容易被最轻微的内部振动，或来自外部世界的干扰打破。出于这个原因，科学家们在实验中要保持尽可能低的温度，避免量子系统受到影响；温度越低，原子相互撞击并破坏其一致性的可能性就越小。在新的研究中，西班牙巴塞罗那光子科学研究所（ICFO）的研究人员采用了相反的方法，他们将原子加热到450开尔文，比典型量子实验的温度高数百万倍，以观察纠缠态是否能在高温混乱的环境中持续存在。

“量子纠缠是最引人注目的量子技术之一，但其脆弱性是出了名的，”该研究第一作者、在ICFO进行访问的科学家孔嘉说，“大多数与纠缠有关的量子技术必须在低温环境中实现，比如冷原子系统。这限制了纠缠态的应用。纠缠态是否能在高温而混乱的条件下存在是一个有趣的问题。”

炽热且无序

纠缠原子的示意图。原子云由相互纠缠的成对原子组成，黄蓝线表示一对原子间的纠缠

研究人员将一个装满汽化铷和惰性氮气的小玻璃管加热到177摄氏度，恰好是烤饼干的最佳温度。在这一温度下，热的铷原子云团处于混沌状态，每秒会发生数千次原子碰撞。这些原子就像台球一样相互反弹，传递能量和自旋。但与台球不同的是，这种自旋并不代表原子的物理运动。

在量子力学中，自旋是粒子的基本属性，就像质量或电荷一样，赋予粒子内在的角动量。在许多方面，粒子的自旋使其类似于旋转的行星，既具有角动量，又产生一个弱磁场，称为磁矩。但在量子力学的古怪世界里，这样的类比并不成立；在量子的世界观中，质子或电子等粒子并不能看作正在旋转的具有一定大小和形状的固体。当科学家试图测量一个粒子的自旋时，他们只能得到两种答案之一：向上或向下。在量子力学中不存在中间状态。

幸运的是，粒子自旋产生的微小磁场允许科学家用多种独特的方法测量自旋。其中一种方法是利用偏振光，即在一个方向上振荡的电磁波。研究人员向铷原子管发射了偏振激光束。由于原子的自旋就像微小的磁铁，使偏振光在穿过气体并与磁场相互作用时发生旋转。这种光和原子的相互作用导致了原子和气体之间的大规模纠缠。当研究人员测量从玻璃管另一端出来的光子偏振的变化量时，他们就可以确定气体原子总的自旋信息。

“我们的测量是基于光与原子的相互作用，”孔嘉说，“在合适的条件下，这种相互作用会导致光和原子之间的关联，如果进行适当的测量，这种关联就会转移到原子中，从而在原子之间产生纠缠。令人惊讶的是，这些随机碰撞并没有破坏纠缠。”

事实上，玻璃管内部“炽热而混乱”的环境正是实验成功的关键。这些原子处于物理学家所说的宏观自旋单态，即纠缠粒子对的自旋总和为零的集合。最初纠缠在一起的原子通过碰撞将它们的纠缠传递给彼此，交换它们的自旋，但保持总自旋为零，并允许整个量子系统的纠缠状态至少维持一毫秒。例如，粒子A和粒子B纠缠在一起，但是当粒子B与粒子C碰撞时，这两个粒子会与粒子C关联起来，以此类推。

孔嘉在一份声明中指出，这“意味着每1毫秒将有15万亿原子产生新的纠缠。1毫秒对于原子而言是很长的一段时间，足够发生大约50次随机碰撞。这清楚地表明，纠缠并没有被这些随机事件所破坏。这可能是这项研究中最令人惊讶的结果。”

由于科学家目前只了解纠缠原子的集体状态，因此他们的研究应用还十分有限。像量子计算机这样的技术暂时还不在考虑范围内，因为需要知道单个纠缠粒子的状态才能存储和发送信息。不过，这项研究结果可能有助于开发超灵敏的磁场探测器，能够测量比地球磁场弱100亿倍的磁场。这种强大的仪器将在许多科学领域都有应用前景。例如，在神经科学的研究中，脑磁图描记术（magnetoencephalography）可以通过探测大脑活动发出的超微弱磁性信号来拍摄大脑图像。

ICFO的物理学教授、实验室组长摩根·米切尔（Morgan Mitchell）在声明中说：“我们希望这种大尺度的纠缠态能提升传感器的灵敏度，包括在大脑成像、自动驾驶汽车和寻找暗物质等应用中有更好的性能表现。”他们的研究结果于5月15日在线发表在《自然-通讯》（Nature Communications）杂志上。