近日，物理學(xué)家們創(chuàng)造了一個(gè)新的記錄,，他們將一個(gè)由15萬億個(gè)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(cè)時(shí)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(gè)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(dòng)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(jiǎn)單來講就是兩個(gè)或多個(gè)粒子相互連接的過程,，在其中一個(gè)粒子上執(zhí)行的任何動(dòng)作都會(huì)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(jì)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(dòng)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(duì)零度。為此,，科學(xué)家們?cè)趯?shí)驗(yàn)中達(dá)到最冷的溫度,，讓躁動(dòng)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(gè)問題。在這項(xiàng)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(gè)典型的量子實(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)過程

在實(shí)驗(yàn)中,，研究人員將一個(gè)裝有蒸發(fā)銣和惰性氮?dú)獾男〔ＡЧ芗訜岬?77攝氏度,，這個(gè)溫度恰好是烘烤餅干的最佳溫度。在這個(gè)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(yùn)動(dòng)。

在量子力學(xué)中,，自旋是粒子的一個(gè)基本性質(zhì),，就像質(zhì)量或電荷一樣，這是粒子一個(gè)固有的角動(dòng)量,。在許多方面,，粒子的自旋類似于旋轉(zhuǎn)的行星，既有角動(dòng)量又產(chǎn)生一個(gè)弱磁場(chǎng),，稱為磁矩,。但在量子力學(xué)這個(gè)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(diǎn)并不符合量子世界觀。當(dāng)科學(xué)家試圖測(cè)量一個(gè)粒子的自旋時(shí),，他們得到了兩個(gè)答案之一：向上或向下,，在量子力學(xué)中沒有中間子。幸運(yùn)的是,，由粒子旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的微小磁場(chǎng)使科學(xué)家能夠以多種獨(dú)特的方式測(cè)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(shí)是一種電磁波,，電磁波是橫波。而振動(dòng)方向和光波前進(jìn)方向構(gòu)成的平面叫做振動(dòng)面，光的振動(dòng)面只限于某一固定方向的,，叫做平面偏振光或線偏振光,。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果

隨后研究人員向銣原子管發(fā)射了一束偏振光，因?yàn)樵拥淖孕拖裎⑿〉拇盆F,，所以當(dāng)光通過氣體并與它的磁場(chǎng)相互作用時(shí),，它的偏振會(huì)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(cè)量從玻璃管另一側(cè)出來的光波的旋轉(zhuǎn)時(shí),，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(shí)上,，玻璃管內(nèi)“又熱又亂”的環(huán)境是實(shí)驗(yàn)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(duì)的總自旋和為零的集合,。最初糾纏的原子通過量子實(shí)驗(yàn)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(shí)，它會(huì)將兩個(gè)粒子與粒子C連接起來,，以此類推,。

在這個(gè)實(shí)驗(yàn)中，大約每秒1000次的撞擊,，大約有15萬億個(gè)原子被糾纏,。一毫秒對(duì)原子來說是很長的時(shí)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(xiàng)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(jì)算機(jī)這樣的技術(shù)可能是不可能的,，因?yàn)檫@個(gè)技術(shù)需要知道單個(gè)糾纏粒子的狀態(tài)來存儲(chǔ)和發(fā)送信息,。

對(duì)人類的影響

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不過,，這項(xiàng)研究結(jié)果可能有助于開發(fā)超靈敏磁場(chǎng)探測(cè)器，能夠測(cè)量比地球磁場(chǎng)弱100多億倍的磁場(chǎng),。這種強(qiáng)大的磁強(qiáng)計(jì)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(cè)大腦活動(dòng)發(fā)出的超微弱磁信號(hào)來獲取大腦圖像的,。甚至在未來從腦成像到自動(dòng)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。