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15万亿个“热舞”原子的无序纠缠

ICFO-The Institute of Photonic Sciences

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IMAGE: Artistic illustration of a cloud of atoms with pairs of particles entangled between each other, represented by the yellow-blue lines. Image credit: � ICFO 图示:纠缠原子云的示意图,其中黄蓝线条表示一对原子间的纠缠。图片版权:© ICFO view more 

Credit: ICFO

量子纠缠效应可以退去微观粒子(如电子或原子)的个体独立性,并在彼此间建立起很好的关联性,因此量子纠缠是量子技术的核心,它有望在量子计算,量子通信和量子传感(例如引力波探测)方面取得巨大成就。

然而量子纠缠态非常脆弱,极其微弱的扰动就足以破坏其纠缠特性。因而,科学家们常常痛苦于如何将与纠缠相关的微观系统隔离在一个尽可能没有扰动的环境中。 目前常用的方法是在接近绝对零度的温度下进行相关实验。 而该研究团队另辟蹊径,将原子气体加热到传统量子技术常用温度的百万倍——450开尔文。这些原子在热运动下每几微秒就要发生碰撞,每次碰撞都会使得它们的电子向任意方向旋转。

该研究中,科学家们使用激光来测量这种炽热、无序原子气体的旋转电子引起的磁化强度。磁化强度的测量是研究碰撞效应和检测纠缠特性的一种方法。 研究人员通过这种方法观测到了前所未有的大尺度原子纠缠态,纠缠原子的数目大约是已有报到的最大纠缠数目的100倍。 此外,研究人员还发现这些纠缠的原子具有非局域特性,即不相邻的原子间也存在纠缠,在任何两个纠缠的原子之间,还可能存在着有成千上万个宏观、炽热且无序的纠缠原子。

该研究成果的第一作者孔嘉说,“如果我们停止测量,纠缠特性还可持续大约1毫秒的时间,这意味着每1毫秒将有15万亿个原子产生新的纠缠。 我们要知道1毫秒对于原子来说是很长的时间,长到足以发生大约五十次的随机碰撞,然而我们惊喜地发现随机事件并不会破坏原子间的纠缠。”

这一对炽热且无序纠缠态的发现为磁场超精密探测打下了基础。例如:新一代的脑磁仪(大脑磁场成像仪器)正是采用和上述研究相同的炽热、高密度原子气体来探测大脑活动产生的微弱磁场。这一新的研究成果证实了纠缠可应用于脑科学和神经科学的基础研究中,并能够提高传感系统的测量灵敏度。

正如ICFO的 Morgan Mitchell教授所言:“这一结果令人惊讶,与我们通常对纠缠的期望完全相反。” 他补充说到,“我们希望这种大尺度的纠缠态能够提升传感器的灵敏度,包括在大脑成像、自动驾驶汽车以及暗物质探测等应用中实现更好的传感性能。”

自旋单态和量子非破坏性(QND)测量

自旋单态是纠缠的一种形式,其中多个粒子的自旋(其固有角动量)总和为零,表示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性(QND)测量技术来提取数万亿个原子的自旋信息。 在该技术中,具有特定能量的激光光子穿过原子气室,与原子发生相互作用。光子的特定能量保证了原子不会被激发,而光子的偏振特性却会受到原子自旋的影响,发生偏转。 研究人员可以通过测量光子穿过气室后偏振的变化量,推断出原子总的自旋信息。

无自旋交互驰豫(SERF)机制

目前灵敏度较高的磁力计是基于无自旋交互驰豫(SERF)机制的原子磁力计,其工作环境与传统原子纠缠研究所用的绝对零度大相径庭。 在SERF机制下,任意原子都会与其他相邻原子发生多次的随机碰撞,因而碰撞对原子状态起到了决定性的影响。 此外,由于这些原子在高温炽热条件下碰撞发生的更为频繁,这使得原子的自旋快速趋于随机状态。令人惊讶的是,实验结果表明,这种随机碰撞引起的扰动并不会破坏纠缠特性,只会将纠缠从一个原子传递到另一个原子。

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参考文献: 10.1038/s41467-020-15899-1

关于巴塞罗那光子科学研究所(ICFO)

巴塞罗那光子科学研究所(ICFO)由Cellex和Mir-Puig基金会的成员加泰罗尼亚政府和加泰罗尼亚理工大学(UPC)作为董事会成员共同资助。该基金会在研究所的进一步发展中起到了关键作用。该研究所位于巴塞罗那都会区的地中海技术园内,目前有400名人员,由60个最新研究实验室的25个研究组组成。研究领域涵盖了光子学相关的各个领域,例如医学和生物学、高端的成像技术、信息技术、传感器、可调谐和超快激光器、量子科学、光伏材料及纳米材料(例如石墨烯)的特性和应用等。除了两次获得政府颁发的Severo Ochoa杰出认证外,ICFOnians还有15个ICREA教授职位和37项欧洲研究理事会资助。 ICFO积极促进产业落地,孵化了多项衍生产品项目,为企业和ICFO研究人员之间建立合作和连接。迄今为止,ICFO已帮助创建了7家创业公司。

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