科學也可以如此靠近

「量子革命」又贏突破:單個原子就能揭示1600萬原子間的糾纏關係

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2017

2017年11月12日21時 今日科學 DeepTech深科技

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根據量子理論,即使是在宏觀的結構中,大量的原子也可以被強量子關係糾纏在一起。儘管最近有實驗做出了 2900 個原子的糾纏,但該理論仍缺乏實驗支持。

就在上周,瑞士日內瓦大學(UNIGE)的科學家通過重新設計他們的數據處理方法,驗證了 1600 萬個原子被纏繞在一厘米的晶體中的情況。有關實驗數據已被發表在自然通訊雜誌(Nature Communications)上。

在量子物理中,理論上允許信號發射者立即探測到是否有第三方攔截髮射出去的信號。該屬性對數據保護來說意義非凡,特別是在加密行業,在目前提供的服務中,客戶可以知曉他們的消息是否有被攔截。這些信號需用被稱為「量子中繼器」的特殊繼電器來進行遠距離傳播(量子中繼器是被冷卻至低於絕對零度以上三度的富含稀土原子的晶體)。該晶體中的原子被很強的量子關係聯繫在一起,而當光子穿透晶體塊時,該光子便會在數十億個原子之間產生糾纏。

UNIGE 科學教授應用物理組的研究員 Florian Fröwis 說:「發生兩個粒子的糾纏是相對容易的。比如分裂光子產生出的具有相同性質和行為的兩個互相糾纏的光子。但由於需要收集和分析的大量數據是如此之大,所以我們不可能直接觀察到數百萬個原子之間的糾纏過程。」

圖 | 揭示量子存儲器內眾多原子間糾纏關係的單個原子產生源的部分視圖

因此,Fröwis 和他的同事們選擇了一個間接路線,考慮目前可以進行哪些測量,其中又有哪些最符合實驗目的。研究團隊檢查了晶體的再發射光(re-emitted light)的特徵,並分析了其統計特性和兩種主要情況的機率——光(由單個光子構成)在單一方向上被重新發射,而不是從晶體均勻輻射出來。

結果,團隊成功地展現了 1600 萬個原子發生糾纏的情況,而之前幾次觀測的上限都僅為幾千原子發生糾纏。在對等的另一項研究中,加拿大卡爾加里大學(University of Calgary)的科學家也做出了大量原子群之間的糾纏情況。Nicolas Gisin 教授的應用物理研究小組成員 Mikael Afzelius

說:「我們並沒有改寫物理理論,實驗中改變的是處理數據的方法。」

粒子糾纏是「量子革命」的先決條件,同時也會影響未來網絡中流動數據量的大小以及量子計算機的效率和運行模式。事實上,所有的一切都取決於量子層面上兩個粒子間的關係——這種關聯要比傳統物理學規律提出的簡單相關性強得多。

雖然糾纏的概念對於行外人來說很難理解,但我們在這裡可以用一雙襪子來做類比。想像一下,如果物理學家總是穿著兩隻顏色不同的襪子,這意味著當你發現一個物理學家的一隻腳上穿著紅色襪子時,你也會立刻知道他另一隻腳上的襪子是非紅色的。這便是兩隻襪子間存在的一種相關性。而在量子物理中,更強更神秘的相關性便被稱為糾纏。

現在,請想像出兩名物理學家,他們之間相距很遠。假如這兩位物理學家每個人都有一個光子,而且這兩個光子處於糾纏態,那麼兩名物理學家就將會觀察到非局部量子相關性(這也是常規物理學所無法解釋的一點)。他們會發現,光子的極化總是相反的(就像上面的例子中的襪子),而因為光子沒有固有的極化,所以在測量每個光子之前測量的極化完全是隨機的。這是一個非系統現象,會在兩個相距很遠的地方同時發生——這便是量子相關的謎題所在。


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