“令人惊奇的结果”:450开尔文高温的15万亿个原子的量子纠缠

2020-07-02 02:56 admin

量子纠缠是一个微观对象(如电子或原子)失去了独立性的过程,通过该过程从而变得更好地相互协调。纠缠是量子技术的核心,它有望在计算、通信和传感(例如检测引力波)方面取得巨大进步。

众所周知纠缠状态是非常脆弱的:在大多数情况下,即使是很小的干扰也可以消除纠缠。基于这个原因,当前的量子技术需要非常费力地将与它们一起工作的微观系统分离,并且通常需在接近绝对零的温度下运行。

最近,位于西班牙巴塞罗那的光子科学研究所(Institute of Photonic Sciences,简称ICFO)的科学家们将一组原子加热到了450开尔文温度,也就176.85°C摄氏度高温,这比大多数用于量子技术的原子加热了达数百万倍。而且,各个原子绝不是孤立的,它们每隔几微秒彼此碰撞,每次碰撞使它们的电子朝随机方向旋转。如下图所示原子云与成对纠缠的粒子,成对的粒子相互缠结,以黄蓝色线条表示。

研究人员使用激光监控这种热的混沌气体的磁化强度。磁化是由原子中旋转的电子引起的,并提供了一种研究碰撞影响和检测纠缠的方式。研究人员观察到的是大量纠缠的原子,比以前观察到的原子多约100倍。他们还看到纠缠是非局部的,它涉及彼此不靠近的原子。在任何两个纠缠的原子之间,还有15万亿的原子,其中许多原子与其他原子纠缠在一起,处于巨大的、炽热且混乱的纠缠状态。

如上图所示,玻璃小管的图片,其中铷金属与氮气混合并加热到450开氏温度。在如此高的温度下,金属蒸发,生成游离的铷原子,这些原子在小管内部扩散。

该研究论文第一作者为在西班牙光子科学研究所从事研究的杭州电子科技大学的中国学者Jia Kong。他回忆说,他们还看到,“如果我们停止测量,纠缠将保持约1毫秒,这意味着每秒将有1000次新的15万亿个原子纠缠。1毫秒对于原子来说已是很长的时间了,足够长到足以发生约五十次随机碰撞。这清楚表明,这些随机事件不会破坏纠缠。这也许是这项工作最令人惊奇的结果。”

自旋单重态(英语:spin singlet state)是纠缠的一种形式,其中多个粒子的自旋的固有角动量总计为零,这意味着系统的总角动量为零。在这项研究中,研究人员应用了量子非破坏测量技术来提取数万亿个原子自旋的信息。

量子非破坏测量,英语:Quantum Non-Demolition measurement,简称QND,是量子系统的一种特殊类型的测量,其中在系统的后续正常演化过程中,可观测对象的不确定性不会从其可观测值增加。这必然要求测量过程保持被测系统的物理完整性,而且对测得的可观测值与系统的自哈密顿量之间的关系提出要求。从某种意义上说,QND测量是量子力学中“最经典”且干扰最小的测量类型。

该技术使具有特定能量的激光光子穿过原子气。这些具有这种精确能量的光子不会激发原子,但是它们本身会受到相遇的影响。原子的自旋就如磁铁一般旋转光的偏振。通过测量光子穿过这个云层后极化的变化量,研究人员能够确定原子气的总自旋。

该磁力计是在一种称为自旋交换无弛豫的状态下工作的,远离研究人员通常用来研究纠缠原子的绝对零温度。自旋交换无弛豫磁力计,英语:Spin Exchange Relaxation-Freemagnetometer,简称SERF。

该磁力计在2000年代早期由普林斯顿大学所开发出来。SERF磁力计通过使用激光检测蒸汽中金属原子与磁场之间的相互作用来测量磁场。该技术的名称源于以下事实:在这些磁力计中避免了自旋交换弛豫,该机制通常会扰乱原子自旋的取向。这通过使用高原子密度和非常低的磁场来完成。在这些条件下,原子的自旋速度与其磁旋进频率相比快,因此平均自旋会与磁场相互作用,并且不会因退相干而被破坏。

自旋交换碰撞保留了一对碰撞原子的总角动量,但可以扰乱原子的超精细状态。 不同超精细状态的原子不会相干,因此会限制原子的相干寿命。 但是,如果自旋交换碰撞发生的速度比原子的进动频率快得多,则几乎可以消除由于自旋交换碰撞引起的退相干。 在这种快速自旋交换状态下,集合体中的所有原子都会快速改变超精细状态,在每个超精细状态中花费相同的时间,并使自旋集合体进动更慢,但保持相干。 可以通过在足够高的金属密度在较高温度下和足够低的磁场中进行操作来达到这种所谓的自旋交换无弛豫机制。

在这种情况下,任何原子都会与其他相邻原子发生许多随机碰撞,从而使碰撞对原子状态产生最重要的影响。另外,由于它们处于热介质中而不是超冷介质中,因此碰撞使任意给定原子中的电子自旋迅速随机化。令人惊讶的是,该研究实验表明,这种扰动不会破坏纠缠态,它只会使纠缠从一个原子传递到另一个原子。

对这种热而混乱的纠缠状态的观察,为超灵敏磁场检测铺平了道路。例如,在脑磁成像中,新一代传感器使用这些相同的高温高密度原子气体来检测由大脑活动产生的磁场。新结果表明,纠缠可以提高该技术的灵敏度,该技术已在基础脑科学和神经外科领域得到应用。

该研究论文主导之一、西班牙巴塞罗那的光子科学研究所Morgan Mitchell教授表示,“这一结果令人惊奇,与每个人对纠缠过去的认知大相径庭。”“我们希望这种巨大的纠缠态将在从大脑成像、到自动驾驶汽车、到暗物质搜索等应用中带来更好的传感器性能。”

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