科学家首次实现宏观物体之间的量子纠缠

2021-05-08 12:46:41 星空天文

5月7日《科学》杂志上的一篇文章称,科研人员首次在宏观物体之间实现了量子纠缠,并对实验结果实施了有效测量。

Teufel / NIST

量子纠缠被称为“幽灵般的超距作用”,是一种连爱因斯坦也不敢相信的神奇量子物理现象。处于纠缠态的一对粒子,无论是近在咫尺,还是分处宇宙的两端,都能够在其中一个粒子有所动作的时候,瞬间作出相应的反馈。

量子纠缠理论上仅存在于亚原子级别以下的微观世界。但是最近,美国国家标准和技术研究所(NIST)的科学家称,他们在两个宏观物体之间实现了量子纠缠。

这两个宏观物体是两片铝制的膜。每一片的面积为20×14微米,厚度为100纳米,重约70皮克,包含大约1万亿个原子。以我们日常的标准来看,它们依然非常小,但是在量子力学中,它们确实已经是宏观物体。

科学家已经不止一次地让两个单一粒子实现量子纠缠。但是要让大量粒子同时发生纠缠非常困难。因为环境和宏观物体之间存在着非常强的相互影响,精巧的量子态极易在此过程中被破坏。

为了实现宏观物体的量子纠缠,研究人员发明了一种新的方法,能够同步控制和测量两片铝膜的运动。

这两片膜被置于一个超低温容器内,并与一个电子回路连接在一起。电子系统能够对接收到的微波脉冲作出回应,进而控制膜的活动。

研究人员分三步对膜施以影响,每次产生一对同步微波脉冲。首先要使膜冷却,然后使膜发生纠缠,最后将与这两个膜量子态有关的信号放大并记录下来。膜的量子态被编码在一个反射微波场中。研究人员将反射信号和原始微波脉冲进行比较,以确定这两片膜的位置和运动。

为了在两片膜之间实现量子纠缠,研究人员将微波脉冲的频率控制在两片膜的振动频率之间,即高于膜1并低于膜2。脉冲使膜1的晶格振动与容器光子发生纠缠,形成晶格振动-光子对。微波脉冲还会进一步冷却膜2,使得离开容器的光子被晶格振动取代。最后剩下的,就是来自两片膜的大量处于纠缠态的晶格振动。

要让晶格振动对发生纠缠,微波脉冲的持续时间非常重要。研究人员发现,所需的脉冲时长最短为4微秒。而要产生强纠缠晶格振动,理想的时长是16.8微秒。膜间的关联性量子态维持了大约一毫秒,而这在量子世界里已经是相当长的时间了。

研究人员分析了收集到的反馈信号。通常情况下,这些信号应当是随机的。但实际结果中的异常特征表明,这两片膜之间存在着纠缠。

为了加以验证,研究人员还将实验重复了10000次,对两片膜位置对应关系的不同结果进行了统计学分析。在不存在纠缠的情况下,通过一片膜预测另一片膜位置的准确率只有平均值。而如果准确率偏高,就表明它们之间存在着纠缠。

这是科学家首次实现宏观物体的量子纠缠。高度纠缠的宏观物体可用于建造量子网络的节点。而此项研究中所涉及的高效测量法,在远距离量子通讯的应用方面也有实际意义。

参考

Direct observation of deterministic macroscopic entanglement

https://science.sciencemag.org/cgi/doi/10.1126/science.abf2998

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