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15万亿热原子成功制造量子纠缠!对人类有什么影

15万亿热原子成功制造量子纠缠!对人类有什么影

作者:admin    来源:互联网    发布时间:2020-07-03 07:38

近日,物理学家们创造了一个新的记录,他们将一个由15万亿个原子组成的热汤连接在一起,形成了一种称为量子纠缠的奇异现象。这一发现是科学历史上一次重大的突破,它可以帮助人类创造更精确的传感器来探测时空中的波纹,也就是引力波,甚至是被认为弥漫宇宙的难以捉摸的暗物质。然而这一切只是一个开始!

到底什么是量子纠缠呢?量子纠缠是一种量子现象,是一种纯粹发生于量子系统的现象,因此在经典力学里,找不到类似的现象。举例来讲,两颗向相反方向移动但速率相同的电子,即使一颗飞到水星,一颗飞到柯伊伯带,在如此遥远的距离下,它们仍保有关联性。这种关联性超越了光速,阿尔伯特·爱因斯坦曾著名地描述为“远处的幽灵行为”,简单来讲就是两个或多个粒子相互连接的过程,在其中一个粒子上执行的任何动作都会瞬间影响其他粒子,而不管它们相距多远。量子纠缠是许多新兴技术的核心,如量子计算和密码学。

但是量子的纠缠态并不稳定,它们之间的量子链很容易被微小的内部振动或外部世界的干扰所破坏,除非它们位于稳定的环境中,比如绝对零度。为此,科学家们在实验中达到最冷的温度,让躁动的原子纠缠在一起,温度越低,原子相互碰撞并破坏其相干性的可能性就越小。也就是说大多数与纠缠相关的量子技术必须应用于低温环境,如冷原子系统。这限制了纠缠态的应用。那么量子纠缠是否能够在炎热而混乱的环境中生存就变成了一个问题。在这项新的研究中,西班牙巴塞罗那的光子科学研究所(ICFO)的研究人员采取了相反的方法,将原子加热到比一个典型的量子实验高出数百万倍的温度,以观察纠缠是否能在高温混沌的环境中持续存在。

在实验中,研究人员将一个装有蒸发铷和惰性氮气的小玻璃管加热到177摄氏度,这个温度恰好是烘烤饼干的最佳温度。在这个温度下,铷原子的热云处于混沌状态,每秒发生数千次原子碰撞,原子彼此反弹,传递能量并旋转。前面提到,在量子层面,已经不属于经典力学的范畴,因此这种自旋并不代表原子的物理运动。

在量子力学中,自旋是粒子的一个基本性质,就像质量或电荷一样,这是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,经典的类比就分崩离析了。像质子或电子这样的粒子正在旋转大小和形状的固体物体,这种观点并不符合量子世界观。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之一:向上或向下,在量子力学中没有中间子。幸运的是,由粒子旋转产生的微小磁场使科学家能够以多种独特的方式测量自旋。其中之一涉及偏振光,即单一方向上震荡的电磁波。我们所知道的光其实是一种电磁波,电磁波是横波。而振动方向和光波前进方向构成的平面叫做振动面,光的振动面只限于某一固定方向的,叫做平面偏振光或线偏振光。

随后研究人员向铷原子管发射了一束偏振光,因为原子的自旋就像微小的磁铁,所以当光通过气体并与它的磁场相互作用时,它的偏振会旋转。这种轻原子相互作用在原子和气体之间产生了大规模的纠缠。当研究人员测量从玻璃管另一侧出来的光波的旋转时,他们可以确定原子气体的总自旋,从而将纠缠转移到原子上,使原子处于纠缠状态。

事实上,玻璃管内“又热又乱”的环境是实验成功的关键。原子处于物理学家所称的宏观自旋单重态,即纠缠粒子对的总自旋和为零的集合。最初纠缠的原子通过量子实验中的碰撞进而相互传递它们的纠缠,交换它们的自旋,但始终保持总自旋为零,并保持集体纠缠状态至少持续毫秒。例如,粒子A与粒子B纠缠在一起,但当粒子B击中粒子C时,它会将两个粒子与粒子C连接起来,以此类推。

在这个实验中,大约每秒1000次的撞击,大约有15万亿个原子被纠缠。一毫秒对原子来说是很长的时间,足够长到大约50次随机碰撞发生。这清楚地表明纠缠并没有被这些随机事件破坏,这是这项研究最令人惊讶的结果。

由于科学家们只能理解纠缠原子的集体态,因此他们的研究仅限于特殊用途。像量子计算机这样的技术可能是不可能的,因为这个技术需要知道单个纠缠粒子的状态来存储和发送信息。

不过,这项研究结果可能有助于开发超灵敏磁场探测器,能够测量比地球磁场弱100多亿倍的磁场。这种强大的磁强计在许多科学领域都有应用。例如,在神经科学的研究中,脑磁图是通过检测大脑活动发出的超微弱磁信号来获取大脑图像的。甚至在未来从脑成像到自动驾驶汽车,再到寻找暗物质等应用领域带来更好的传感器性能,这都是有可能的,期待人类在量子纠缠方面能够有持续的进步。

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