科学家通过量子纠缠关联15万亿个热原子，探秘宇宙暗物质

据国外媒体报道，物理学家创造了一项新的记录，他们将 15 万亿个原子组成的“热云”通过量子纠缠的方式关联起来。该发现或许将成为一项重大突破，帮助科学家制造更精确的传感器，用于探测引力波或可能遍布宇宙的神秘暗物质。

爱因斯坦曾说，量子纠缠就是幽灵般的超距作用。

而在新的研究中，研究人员将一个装满汽化铷和惰性氮气的小玻璃管加热到 177 摄氏度，恰好是烤饼干的最佳温度。在这一温度下，热的铷原子云团处于混沌状态，每秒会发生数千次原子碰撞。这些原子就像台球一样相互反弹，传递能量和自旋。但与台球不同的是，这种自旋并不代表原子的物理运动。

由于科学家目前只了解纠缠原子的集体状态，因此他们的研究应用还十分有限。像量子计算机这样的技术暂时还不在考虑范围内，因为需要知道单个纠缠粒子的状态才能存储和发送信息。不过，这项研究结果可能有助于开发超灵敏的磁场探测器，能够测量比地球磁场弱 100 亿倍的磁场。这种强大的仪器将在许多科学领域都有应用前景。例如，在神经科学的研究中，脑磁图描记术（magnetoencephalography）可以通过探测大脑活动发出的超微弱磁性信号来拍摄大脑图像。

ICFO 的物理学教授、实验室组长摩根·米切尔（Morgan Mitchell）在声明中说：“我们希望这种大尺度的纠缠态能提升传感器的灵敏度，包括在大脑成像、自动驾驶汽车和寻找暗物质等应用中有更好的性能表现。”他们的研究结果于 5 月 15 日在线发表在《自然 - 通讯》（Nature Communications）杂志上。

量子纠缠的原理

一：定义

量子纠缠是一种量子力学现象，是指当几个粒子在彼此相互作用后，由于各个粒子所拥有的特性已综合成为整体性质，无法单独描述各个粒子的性质，只能描述整体系统的性质的现象。量子纠缠是一种纯粹发生于量子系统的现象；在经典力学里，找不到类似的现象。

二：性质

量子纠缠具有不可分性。假设一个量子系统是由几个处于量子纠缠的子系统组成，而整体系统所具有的某种物理性质，子系统不能私自具有，这时，不能够对子系统给定这种物理性质，只能对整体系统给定这种物理性质，它具有“不可分性”。不可分性不一定与空间有关，处于同一区域的几个物理系统，只要彼此之间没有任何纠缠，则它们各自可拥有自己的物理性质。物理学者艾雪·佩雷斯给出不可分性的数学定义式，可以计算出整体系统到底具有可分性还是不可分性。假设整体系统具有不可分性，并且这不可分性与空间无关，则可将它的几个子系统分离至两个相隔遥远的区域，这动作凸显出不可分性与定域性的不同──虽然几个子系统分别处于两个相隔遥远的区域，仍旧不可将它们个别处理。在 EPR 佯谬里，由于两个粒子分别处于两个相隔遥远的区域，整体系统被认为具有可分性，但因量子纠缠，整体系统实际具有不可分性，整体系统所具有明确的自旋 z 分量，两个粒子各自都不具有。

三：应用

量子纠缠是一种物理资源，如同时间、能量、动量等等，能够萃取与转换。应用量子纠缠的机制于量子信息学，很多平常不可行的事务都可以达成。在量子计算机体系结构里，量子纠缠扮演了很重要的角色。例如，在一次性量子计算机的方法里，必须先制备出一个多体纠缠态，通常是图形态或簇态，然后借着一系列的测量来计算出结果。

量子纠缠是最引人注目的量子技术之一，但其脆弱性是出了名的，”该研究第一作者、在 ICFO 进行访问的科学家孔嘉说，“大多数与纠缠有关的量子技术必须在低温环境中实现，比如冷原子系统。这限制了纠缠态的应用。纠缠态是否能在高温而混乱的条件下存在是一个有趣的问题。”

量子纠缠态以其脆弱性而闻名；粒子之间的量子关联很容易被最轻微的内部振动，或来自外部世界的干扰打破。出于这个原因，科学家们在实验中要保持尽可能低的温度，避免量子系统受到影响；温度越低，原子相互撞击并破坏其一致性的可能性就越小。

由于科学家目前只了解纠缠原子的集体状态，因此他们的研究应用还十分有限。像量子计算机这样的技术暂时还不在考虑范围内，因为需要知道单个纠缠粒子的状态才能存储和发送信息。不过，这项研究结果可能有助于开发超灵敏的磁场探测器，能够测量比地球磁场弱 100 亿倍的磁场。这种强大的仪器将在许多科学领域都有应用前景。例如，在神经科学的研究中，脑磁图描记术可以通过探测大脑活动发出的超微弱磁性信号来拍摄大脑图像。

ICFO 的物理学教授、实验室组长摩根·米切尔在声明中说：“我们希望这种大尺度的纠缠态能提升传感器的灵敏度，包括在大脑成像、自动驾驶汽车和寻找暗物质等应用中有更好的性能表现。”