近日，物理學(xué)家們創(chuàng)造了一個新的記錄，他們將一個由15萬億個原子組成的熱湯連接在一起，形成了一種稱為量子糾纏的奇異現(xiàn)象。這一發(fā)現(xiàn)是科學(xué)歷史上一次重大的突破，它可以幫助人類創(chuàng)造更精確的傳感器來探測時空中的波紋，也就是引力波，甚至是被認(rèn)為彌漫宇宙的難以捉摸的暗物質(zhì)。然而這一切只是一個開始！

量子糾纏

到底什么是量子糾纏呢？量子糾纏是一種量子現(xiàn)象，是一種純粹發(fā)生于量子系統(tǒng)的現(xiàn)象，因此在經(jīng)典力學(xué)里，找不到類似的現(xiàn)象。舉例來講，兩顆向相反方向移動但速率相同的電子，即使一顆飛到水星，一顆飛到柯伊伯帶，在如此遙遠(yuǎn)的距離下，它們?nèi)员Ｓ嘘P(guān)聯(lián)性。這種關(guān)聯(lián)性超越了光速，阿爾伯特·愛因斯坦曾著名地描述為“遠(yuǎn)處的幽靈行為”，簡單來講就是兩個或多個粒子相互連接的過程，在其中一個粒子上執(zhí)行的任何動作都會瞬間影響其他粒子，而不管它們相距多遠(yuǎn)。量子糾纏是許多新興技術(shù)的核心，如量子計算和密碼學(xué)。

但是量子的糾纏態(tài)并不穩(wěn)定，它們之間的量子鏈很容易被微小的內(nèi)部振動或外部世界的干擾所破壞，除非它們位于穩(wěn)定的環(huán)境中，比如絕對零度。為此，科學(xué)家們在實驗中達(dá)到最冷的溫度，讓躁動的原子糾纏在一起，溫度越低，原子相互碰撞并破壞其相干性的可能性就越小。也就是說大多數(shù)與糾纏相關(guān)的量子技術(shù)必須應(yīng)用于低溫環(huán)境，如冷原子系統(tǒng)。這限制了糾纏態(tài)的應(yīng)用。那么量子糾纏是否能夠在炎熱而混亂的環(huán)境中生存就變成了一個問題。在這項新的研究中，西班牙巴塞羅那的光子科學(xué)研究所（ICFO）的研究人員采取了相反的方法，將原子加熱到比一個典型的量子實驗高出數(shù)百萬倍的溫度，以觀察糾纏是否能在高溫混沌的環(huán)境中持續(xù)存在。

量子糾纏的實驗過程

在實驗中，研究人員將一個裝有蒸發(fā)銣和惰性氮氣的小玻璃管加熱到177攝氏度，這個溫度恰好是烘烤餅干的最佳溫度。在這個溫度下，銣原子的熱云處于混沌狀態(tài)，每秒發(fā)生數(shù)千次原子碰撞，原子彼此反彈，傳遞能量并旋轉(zhuǎn)。前面提到，在量子層面，已經(jīng)不屬于經(jīng)典力學(xué)的范疇，因此這種自旋并不代表原子的物理運動。

在量子力學(xué)中，自旋是粒子的一個基本性質(zhì)，就像質(zhì)量或電荷一樣，這是粒子一個固有的角動量。在許多方面，粒子的自旋類似于旋轉(zhuǎn)的行星，既有角動量又產(chǎn)生一個弱磁場，稱為磁矩。但在量子力學(xué)這個古怪的世界里，經(jīng)典的類比就分崩離析了。像質(zhì)子或電子這樣的粒子正在旋轉(zhuǎn)大小和形狀的固體物體，這種觀點并不符合量子世界觀。當(dāng)科學(xué)家試圖測量一個粒子的自旋時，他們得到了兩個答案之一：向上或向下，在量子力學(xué)中沒有中間子。幸運的是，由粒子旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的微小磁場使科學(xué)家能夠以多種獨特的方式測量自旋。其中之一涉及偏振光，即單一方向上振蕩的電磁波。我們所知道的光其實是一種電磁波，電磁波是橫波。而振動方向和光波前進(jìn)方向構(gòu)成的平面叫做振動面，光的振動面只限于某一固定方向的，叫做平面偏振光或線偏振光。

實驗結(jié)果

隨后研究人員向銣原子管發(fā)射了一束偏振光，因為原子的自旋就像微小的磁鐵，所以當(dāng)光通過氣體并與它的磁場相互作用時，它的偏振會旋轉(zhuǎn)。這種輕原子相互作用在原子和氣體之間產(chǎn)生了大規(guī)模的糾纏。當(dāng)研究人員測量從玻璃管另一側(cè)出來的光波的旋轉(zhuǎn)時，他們可以確定原子氣體的總自旋，從而將糾纏轉(zhuǎn)移到原子上，使原子處于糾纏狀態(tài)。

事實上，玻璃管內(nèi)“又熱又亂”的環(huán)境是實驗成功的關(guān)鍵。原子處于物理學(xué)家所稱的宏觀自旋單重態(tài)，即糾纏粒子對的總自旋和為零的集合。最初糾纏的原子通過量子實驗中的碰撞進(jìn)而相互傳遞它們的糾纏，交換它們的自旋，但始終保持總自旋為零，并保持集體糾纏狀態(tài)至少持續(xù)毫秒。例如，粒子A與粒子B糾纏在一起，但當(dāng)粒子B擊中粒子C時，它會將兩個粒子與粒子C連接起來，以此類推。

在這個實驗中，大約每秒1000次的撞擊，大約有15萬億個原子被糾纏。一毫秒對原子來說是很長的時間，足夠長到大約50次隨機(jī)碰撞發(fā)生。這清楚地表明糾纏并沒有被這些隨機(jī)事件破壞，這是這項研究最令人驚訝的結(jié)果。

由于科學(xué)家們只能理解糾纏原子的集體態(tài)，因此他們的研究僅限于特殊用途。像量子計算機(jī)這樣的技術(shù)可能是不可能的，因為這個技術(shù)需要知道單個糾纏粒子的狀態(tài)來存儲和發(fā)送信息。

對人類的影響

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不過，這項研究結(jié)果可能有助于開發(fā)超靈敏磁場探測器，能夠測量比地球磁場弱100多億倍的磁場。這種強(qiáng)大的磁強(qiáng)計在許多科學(xué)領(lǐng)域都有應(yīng)用。例如，在神經(jīng)科學(xué)的研究中，腦磁圖是通過檢測大腦活動發(fā)出的超微弱磁信號來獲取大腦圖像的。甚至在未來從腦成像到自動駕駛汽車，再到尋找暗物質(zhì)等應(yīng)用領(lǐng)域帶來更好的傳感器性能，這都是有可能的，期待人類在量子糾纏方面能夠有持續(xù)的進(jìn)步。