品玩

科技创新者的每日必读

打开APP
关闭
量子力学

不用上百万的稀释制冷机,研究员破解量子高温纠缠难题

有望在大脑成像、自动驾驶汽车以及暗物质探测实现更好的传感性能。

Decode

发布于 6月4日

“遇事不决,量子力学”这句调侃的话,足以说明这个领域有多热门。但真正把量子力学应用起来,可不是一件容易的事。

拿量子计算为例,要充分发挥量子比特的并行计算能力,就得用到量子一个重要特性——纠缠。

量子纠缠是指,两个或多个粒子相互依存的状态,即使它们相隔数光年之远。但量子的纠缠态,十分不稳定。高温和噪声,都会破坏量子的纠缠特性。

因此,量子相关的实验和技术应用,总是在接近绝对零度的环境下进行。量子计算相关报道中,经常会出现一个非常蒸汽朋克的装置。

(IBM 量子计算机的稀释制冷机)
(IBM 量子计算机的稀释制冷机)

这个装置并不是量子计算机本体,而是用于冷却的稀释制冷机,价格通常上百万。它的任务是让环境维持接近绝对零度,以确保量子比特的稳定性。绝对零度是热力学的最低温度,即 0 开尔文,约等于零下 273.15 摄氏度。

但也有一些研究者逆其道而行之,探索高温状态下的量子纠缠特性。

《Nature》子刊物《Nature Communications》最近发表的一篇论文,描述了研究者在 190 摄氏度炽热、无序原子气体中,成功制备并观测到了大尺度原子纠缠态,纠缠原子数目为 10 的 13 次方。

该论文名称是《Measurement-induced, spatially-extended entanglement in a hot, strongly-interacting atomic system》(在强烈相互作用的热原子系统中,由测量引起的空间扩展纠缠),第一作者是杭州电子科技大学的孔嘉教授,其他作者来自西巴塞罗那光子科学研究院(ICFO)和巴斯克大学。

要说明的是,“量子”这一概念并不特指某一种具体的粒子,光子、电子或原子等微观粒子都是量子范畴。上述论文中,研究者进行实验的是原子纠缠。

具体而言,研究者用量子非破坏性(quantum non-demolition,简称 QND)测量技术,来检测高温下的原子系统。

QND 测量能克服量子噪声,保证每次测量得到相同结果。据 EurekAlert 报道,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。

(实验示意图)
(实验示意图)

光子特定能量保证了原子不会被激发,而光子偏振特性却会受到原子自旋的影响,发生偏转。 自旋是粒子的内在性质,每个粒子都有特有的自旋,自旋数不同就是不同类别的粒子,性质也不同。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。

在实验中,研究人员观察到,即使原子自旋动力学包括强烈的局部相互作用,QND 方法也可以在热原子系统中产生纠缠,而纠缠原子数目大约是已有报告的最大纠缠数目的 100 倍。

(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。图片来自 ICFO)
(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。图片来自 ICFO)

在热原子系统中制备纠缠,不是一件容易的事。Nature 杂志编辑曾如此描述道:热原子气体因其炽热和无序的特性被比作自由散漫的平民,而冷原子因其统一化一的运动秩序被比作井然有序的军人。

论文第一作者孔嘉说:“不难想象在军队中(冷原子气体)更容易制备和维持这种关联特性,而想要在自由散漫、没有纪律、互不相识的平民(热原子气体)中建立关联便是难上加难,且建立起的关联能否维持下去也是一个挑战(考虑到随着温度升高越来越猛烈的碰撞因素)。”

由于研究所采用的传感介质和工作环境,与 SERF 原子磁力计的完全相同,因此论文结果可被应用在磁场探测领域中。

SERF 全称无自旋交换驰豫(spin-exchange-relaxation-free),基于这种方法设计的原子磁力计,是一种超灵敏磁探设备, 以 100–200 摄氏度的高温原子为传感介质,可用于脑磁和心磁等生物磁场探测。

相较我们常见的核磁共振谱仪和磁共振成像,SERF 磁力计的灵敏度更高,且运行成本更低。

过去,有不少研究利用冷原子的纠缠态,来提高磁场探测的灵敏度。而这篇论文成果证明了,纠缠态存在于 190 摄氏度的高温、无序原子气体中,可被用来提高 SERF 原子磁力计的探测灵敏度。

巴塞罗那光子科学研究所一位教授说:“这一结果令人惊讶,与我们通常对纠缠的期望完全相反。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。”

参考资料

[1] 15 万亿个 “热舞” 原子的无序纠缠

[2] Measurement-induced, spatially-extended entanglement in a hot, strongly-interacting atomic system

[3] 杭电青年女科学家在 Nature 子刊发论文 破解原子高温纠缠难题

下载品玩App,比99.9%的人更先知道关于「量子力学」的新故事

下载品玩App

比99.9%的人更先知道关于「量子力学」的新故事

iOS版本 Android版本
立即下载
Decode

关注人工智能、工业和混合现实等新技术、科技创新领域 联系邮箱:oudibj@outlook.com

取消 发布