突破安全距离!首次实现15万亿个原子“热混沌化”的量子纠缠

 公司新闻     |      2020-06-28 23:50

量子纠缠是原子的一种状态,指的是两个或多个粒子以“叠加”形式存在,仅用数学原理是无法解释的。纠缠态的惊人之处在于,如果一个粒子被检测并且其个性随之分解,则其对应粒子将立即受到影响,即使它们位于宇宙的相反两侧。

研究纠缠态的困难在于,纠缠态过于脆弱,与另一个系统的任何接触都可以影响纠缠态,从而消除纠缠态。研究人员必须竭尽全力保持量子系统的隔离,同时保持低温运行。

世界上很多研究者都试图在安全距离内研究原子,但来自巴塞罗那光子科学研究所(ICFO)的研究人员一直致力于更近距离地观察原子。该团队将15万亿个原子聚集在一起,并在极端高温下将它们置于纠缠状态,剥夺了它们的个性。

他们将一组原子加热到450开尔文,比量子技术中使用的大多数原子要热数百万倍。除此之外,该团队还没有隔离原子,而是允许它们彼此碰撞,每隔几微秒就会发生一次碰撞。每次碰撞都会导致原子的电子以随机方向旋转。

这些碰撞如何影响这些原子在“热混沌气体云”(研究团队将其定义为“热混沌气体云”)中的磁化强度呢?

对此,研究人员用激光对它们进行了监测,并以此进一步考虑由旋转电子引起的磁化、碰撞的影响,以及监测气体中的任何纠缠。

他们发现了许多纠缠的粒子,比以前观察到的要多100倍。他们还发现这些纠缠是非局域的,它涉及的原子从未相互接触甚至彼此远离。这说明在这种热混沌的气体中,在任何两个纠缠的原子之间,都有成千上万的其他原子,其中许多原子还与其他原子纠缠在一起。

首席研究人员贾孔解释道:“如果停止测量,量子纠缠将持续约1毫秒,这意味着每秒钟将有一批新的15万亿个原子纠缠1000次。你一定以为1ms对于原子来说是很长的时间,足以发生约五十次随机碰撞。这清楚地表明,这些随机事件不会破坏量子纠缠。这是这项研究最惊人的发现。”

对这种热混沌纠缠态的观测为超灵敏磁场探测铺平了道路。例如,在脑磁成像中,新一代的传感器使用同样的高温、高密度的原子气体来检测大脑活动产生的磁场。结果表明,缠结可以提高该技术的灵敏度,能够应用于基础脑科学和神经外科。

摩根·米切尔教授说:“这一结果与每个人对纠缠的设想完全不同。这种巨大的纠缠态或许能提高传感器的性能,在大脑成像、自动驾驶汽车和暗物质搜索等应用领域有更好的表现。”