物理学家实现15万亿个热原子间的量子纠缠

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物理学家创造了一项新的记录,他们将15万亿个热原子连接在一起,产生一种叫做量子纠缠的奇异现象。这一发现可能是制造更精确传感器的重大突破,用于探测被称为引力波的时空涟漪,甚至是被认为遍及宇宙的难以捉摸的暗物质。

纠缠,阿尔伯特·爱因斯坦描述为“远距离幽灵般的作用”的量子现象,是指两个或多个粒子连接在一起的过程,在一个粒子上进行的任何动作都会立即影响到其他粒子,不管它们之间有多远。纠缠是许多新兴技术的核心,比如量子计算和密码学。

纠缠态因其脆弱而臭名昭著;它们的量子连接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,科学家们试图在实验中达到尽可能低的温度来纠缠抖动的原子;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,位于西班牙巴塞罗那的光子科学研究所(ICFO)的研究人员采用了相反的方法,将原子加热到比典型量子实验温度高数百万倍的温度,以观察纠缠态是否能在炎热而混乱的环境中持续存在。

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原子在‘热又乱’环境下的纠缠

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350华氏度(177摄氏度),恰好是烤饼干的最佳温度。在这个温度下,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。就像台球一样,原子相互反弹,传递能量和自旋。但与经典台球不同的是,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,赋予粒子一个固有的角动量。在许多方面,粒子的自旋类似于旋转的行星,既具有角动量,又产生一个弱磁场,称为磁矩。但在量子力学这个古怪的世界里,经典的类比是行不通的。当科学家试图测量一个粒子的自旋时,他们得到了两个答案中的一个:向上或向下。在量子力学中不存在中间态。

幸运的是,粒子自旋产生的微小磁场允许科学家们用许多独特的方法来测量自旋。其中一种是偏振光,即在一个方向上振荡的电磁波。

研究人员向一管铷原子发射了一束偏振光。由于原子的自旋就像微小的磁铁,光的偏振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产生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侧发出的光波的旋转时,他们可以确定气体原子的总自旋,从而将纠缠转移到原子上,使它们处于纠缠态。

事实上,玻璃管内部“又热又乱”的环境是实验成功的关键。这些原子处于物理学家所说的宏观自旋单线态,即纠缠粒子对的总自旋和为零的集合。在量子标记游戏中,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,并允许集体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碰撞粒子C时,它会把AB两个粒子和粒子C联系起来,以此类推。

由于科学家们只能理解纠缠原子的集体状态,他们的研究应用仅限于特殊用途。像量子计算机这样的技术可能是不可能的,因为需要知道单个纠缠粒子的状态才能存储和发送信息。

然而,他们的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。这种强力磁力仪在许多科学领域都有应用。例如,在神经科学的研究中,脑磁图被用来通过探测大脑活动发出的超微弱的磁性信号来拍摄大脑图像。

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