【量子纠缠实验】《Nature》:科学家完成首次大规模量子纠缠实验

2019-11-25 - 量子纠缠

量子纠缠是一种相当烧脑的现象,它指的是一对或者一组粒子的相互作用,这种相互作用使得这些粒子可以违反经典力学法则。即使两个物体并没有物理连接,甚至它们之间的距离如宇宙长度般遥远,也能同时相互产生影响。

【量子纠缠实验】《Nature》:科学家完成首次大规模量子纠缠实验
【量子纠缠实验】《Nature》:科学家完成首次大规模量子纠缠实验

被爱因斯坦描述为“鬼魅般的超距作用(spooky action at a distance)”的纠缠现象是量子力学的基础,这门学科描述极其微小的物体所具备的奇异物理现象。在如量子计算机等革命性的技术中,量子纠缠也担当了重要的角色。

要通过科学实验来展现量子纠缠这种现象极其困难,即便是最微小的环境干扰也有可能打断所研究粒子间的联系,所以到目前为止,人们只成功用光子或与之大小相近的原子在极其微小的范围内展示过这一现象。

【量子纠缠实验】《Nature》:科学家完成首次大规模量子纠缠实验
【量子纠缠实验】《Nature》:科学家完成首次大规模量子纠缠实验

然而,在《Nature》杂志刊登的一项新研究中,一个由来自不同高校的科学家组成的国际团队完成了一次创举——在大规模量级的实验中实现了量子纠缠现象。这个实验将有助于扩展人们对于量子力学的认知。这些科学家分别来自澳大利亚的新南威尔士大学、芝加哥大学和芬兰的两所高校——阿尔托大学和于韦斯屈莱大学。

【量子纠缠实验】《Nature》:科学家完成首次大规模量子纠缠实验
【量子纠缠实验】《Nature》:科学家完成首次大规模量子纠缠实验

该团队通过对电路施加微波,让安装在一枚硅质芯片上的两个铝制鼓膜发生高频振动,并成功使两个鼓膜的运动产生纠缠现象。这两个鼓膜只有约 15 微米,大约与人类头发的宽度相当,但是它们包含了数十亿计的原子,以量子尺度来看是巨大的。与之前纠缠实验的对象相比,它们要大很多很多。

芝加哥大学分子工程学院的教授 Aashish Clerk 表示:“我们的系统中有两个很小的振动鼓膜,如果只观测其中一个,你会觉得它的运动是完全随机的。但是如果同时观测这两个鼓膜,你会发现两者的振动模式是及其相关的,比方说一个鼓膜向上运动时,另一个就会向下运动。”

他还说:“如果从经典物理的角度来看,两个鼓膜的振动是不会出现如此强烈的相关性的,这种纠缠现象正是爱因斯坦所说的‘鬼魅般的超距作用’,也是一直令他迷惑不解的现象。”

研究者们消除了各种环境干扰,并让实验在零下 273.15℃(接近绝对零度)的温度下进行。令人吃惊的是,他们的实验方法使得纠缠状态持续了相当长的时间,差不多快半个小时。

这个新发现意味着我们有可能在较大的物体中人为“制造”纠缠状态,而这种可能性在多个方面都有着重大的意义。

实验中所使用的硅质芯片上的两个 15 微米的鼓膜。这两个鼓膜以极高的超声频率振动,并产生了爱因斯坦预测过的奇异量子状态。

Clerk 说:“对于那些要使用量子力学中最反直觉概念的各种潜在技术,如量子计算机和各种超精密传感器等来说,纠缠现象是它们的关键资源。”

Clerk 还说:“这项研究说明,我们现在有能力在宏观物体上“制造”并维持这种非同寻常的纠缠状态。小型振动器件在许多应用中起到了至关重要的作用,如手机中各种传感器和滤波器等。这类器件的‘量子版本’则可能有更多应用,比如它们可以作为某种‘总线’来从一种物理系统将量子信息传送到另一个物理系统。

Clerk 补充道:“更重要的是,当被问起‘在描述宏观物体时,我们要不要修改量子力学的法则?’时,许多人觉得是需要修改的,这是因为我们对于量子力学和重力的相互作用知之甚少。而我们这种让大的物体产生量子状态的实验,将可以帮助人们更好的回答这些问题。”

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