物理学家在室温下实现量子纠缠

量子纠缠在室温下实现

分子工程研究所的研究生保罗·克里莫夫(Paul Klimov)在实验中调整激光束的强度。由于激光位于红外光谱内,人眼是看不见的。Awschalom Group提供

最近发表的一项研究芝加哥大学阿贡国家实验室展示了宏观纠缠是如何在室温和小磁场下产生的。

纠缠是量子力学预测的最奇怪的现象之一,它是大多数现代物理学的基础理论:它说两个粒子可以不可避免地联系在一起,一个粒子的状态可以立即影响另一个粒子的状态,无论它们相距多远。

一个世纪前,纠缠态是激烈理论争论的中心,让阿尔伯特·爱因斯坦等科学家困惑不已。今天,量子纠缠被认为是一种自然现象,并被积极探索作为未来技术的资源,包括量子计算机、量子通信网络和高精度量子传感器。

纠缠也是自然界中最难以捉摸的现象之一。产生粒子间的纠缠需要它们从一个高度有序的状态开始,这是不被热力学所支持的,这个过程控制着热量和其他形式的能量之间的相互作用。当试图在宏观尺度上实现大量粒子之间的纠缠时,这构成了一个特别艰巨的挑战。

“我们所习惯的宏观世界看起来很整齐,但在原子尺度上却是完全无序的。热力学定律通常会阻止我们观察宏观物体中的量子现象,”分子工程研究所(Institute for Molecular Engineering)研究生保罗·克里莫夫(Paul Klimov)说。他是量子纠缠新研究的主要作者。该研究所是芝加哥大学和阿贡国家实验室的合作伙伴。

此前,科学家们已经克服了热力学障碍,通过超低温(-270度)实现了固体和液体的宏观纠缠摄氏)和施加巨大的磁场(比普通冰箱磁铁大1000倍)或使用化学反应。发表在11月20日的《科学进展》杂志上Klimov和分子工程研究所David Awschalom教授团队的其他研究人员已经证明,宏观纠缠可以在室温和小磁场下产生。

研究人员用红外激光对数千个电子和原子核的磁态进行排序(优先排列),然后用类似于传统磁共振成像(MRI)的电磁脉冲来缠绕它们。这一过程使半导体SiC的宏观体积为40微米立方(血红细胞的体积)的电子和原子核对变得纠缠。

“我们知道,与半导体缺陷相关的原子核自旋状态在室温下具有优异的量子特性,”Awschalom说,他是Liew家族的分子工程教授和Argonne的高级科学家。“它们是相干的,长寿命的,用光子和电子技术可控的。有了这些量子‘碎片’,创造纠缠量子态似乎是一个可以实现的目标。”

Awschalom说,除了基本的物理兴趣之外,“在环境条件下,在电子级半导体中产生强大纠缠态的能力对未来的量子器件具有重要意义。”

在短期内,这里使用的技术与先进的SiC器件制造协议所支持的复杂器件相结合,可以使量子传感器使用纠缠作为资源,打破传统(非量子)传感器的灵敏度限制。考虑到缠结作用于环境条件和SiC的生物友好性,生物传感在活的有机体内是一个特别令人兴奋的应用。

IBM托马斯·j·沃森研究中心的艾布拉姆·福尔克(Abram Falk)是这项研究结果的合著者之一,他说:“我们对纠缠增强磁共振成像探针感到兴奋,它可能有重要的生物医学应用。”

从长远来看,甚至可能从同一个SiC芯片上的纠缠态转变到遥远的SiC芯片上的纠缠态。这样的努力可以通过允许宏观量子态(相对于单个原子中的单个量子态)相互作用非常强的物理现象来实现,这对产生高成功率的纠缠非常重要。这种长距离的纠缠态已被提出用于同步全球定位卫星,并以一种从根本上保证不被窃听的物理定律的方式通信信息。

出版: Paul V. Klimov等,“宏观固态自旋系综在环境条件下的量子纠缠”,《科学进展》,2015年11月20日,第1卷,第1期。10、e1501015;DOI: 10.1126 / sciadv.1501015

5个评论论“物理学家在室温下实现量子纠缠”

  1. 又向量子通信迈进了一步,使即时通信成为可能且不被中断

  2. 你可以叫我施勒米尔(schlemiel),但我仍然相信,纠缠是对我们的仪器强加给我们的观察到的现象的一种误解,一种“我希望它是真的,但却如此糟糕”的现象。
    不管怎样——纠缠不清——我很高兴和爱因斯坦在同一个垃圾箱里。

    • 除了爱因斯坦不能从贝尔的实验结果中受益。这就像我说我不相信相对论,F=M*A是正确的公式,我的想法让我和牛顿一样,这并不是那么糟糕。

  3. 纠缠不能导致比光更快的通信。跨越时间和空间影响某物与影响某物用于传递信息的方式是不同的。它不能。

    • 沃尔特·莫里茨|2020年5月15日上午10:42|回复

      让我重新表述一下你的说法,让它更诚实和准确:“我不相信纠缠能导致比光更快的通信。跨越时间和空间影响某物不应该等同于影响某物可以用来传递信息。我认为这是不可能的。“看到固定:)

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