新的量子纠缠记录,但仍然没有薛定谔猫


瑞士研究人员已经成功地使1600万个原子与一个光子纠缠在一起,但要取得宏观的结果还有很长的路要走。迈克尔·露西报道。


一只注视着激光技术发展的猫。
一只注视着激光技术发展的猫。
本杰明·托罗德/盖蒂

一只普通的猫含有超过一千亿亿亿亿个原子。所以这就是需要多少个原子通过量子力学“纠缠”才能实现薛定谔著名的思想实验,在这个实验中,单个原子的随机衰变可能会导致盒子里的猫以某种方式同时活和死。

我们还没到那一步,但瑞士日内瓦大学的研究人员宣布,通过创造和验证1600万个原子的单量子态,在这一方向上迈出了重大一步。虽然粒子对的纠缠在实验室里很常见,但多粒子纠缠要复杂得多,之前的记录只有2900个原子。

根据弗洛里安·弗鲁伊斯(Florian Frowis)的说法,这项成就是“一个副业”一篇描述研究的论文自然通讯。该公司最初致力于开发一种“量子记忆”设备,这种设备可以存储用于未来通信网络的单光子。

他说:“我们一直怀疑单个光子的存储会在大量原子之间产生纠缠。”

这种量子存储装置是基于一种特殊的晶体,这种晶体由听起来很奇特的正硅酸钇(yttrium orthosililum)制成,掺杂了钕原子。当晶体吸收光子时,有关光子能量和方向的信息就储存在晶体中原子之间的关系中。这意味着它以后可以重新发射光子,这些光子与进来的光子完全相同。

然而,当晶体只吸收一个光子时,事情就变得奇怪了。晶体仍然会重新发射一个与进入的光子完全相同的光子,这仍然意味着光子的信息必须存储在原子之间的关系中。然而,一个光子只能被一个原子吸收,而不是同时被许多原子吸收。

这是怎么呢晶体中的原子已经纠缠在一起:将它们作为单个粒子来讨论不再有意义,而只将系统作为一个整体来讨论。

从技术上讲,物理学家将这种情况描述为光子被一个特定原子吸收和发射的所有情况的组合(称为“叠加”)。这种特性对量子存储设备的功能至关重要,因为它必须能够在不测量光子属性的情况下存储和重新发射光子,而光子的属性会破坏重要的量子信息。

借助一些奇特的数学知识,弗鲁姆斯和他的物理学伙伴们能够利用晶体发射这些单光子的方式来计算有多少原子与这些光子相互作用,以及那些必定纠缠在一起的原子的最小数量。

他们的结果吗?大约有400亿个原子与光子相互作用,其中至少有1600万个纠缠在一起。

这个数字只是一个下限。弗鲁伊斯指出:“我猜这个数字在数十亿左右,但这纯粹是猜测。”

瑞士团队并不是唯一研究这个问题的人。卡尔加里大学(University of Calgary)的物理学家们也刚刚发表了使用类似技术的研究,并在其中进行了演示超过200组原子的纠缠每个基团本身包含十亿个原子。

那么,我们应该开始担心我们的猫的生存状态了吗?不是现在。虽然1600万个原子听起来很多,但即使是在一粒沙里,原子的数量也是这个数字的1亿倍。

不管怎样,弗鲁伊斯说,在薛定谔的猫和他的实验之间有一些根本的区别。

“所谓Schrodinger-cat状态是理想的两个(或更多)的叠加的宏观上不同的国家多体的系统中,”他说,这意味着不同的国家很容易区分一个观察者,正如猫或者是活着还是死了当盒子打开。“宏观上不同状态的叠加意味着潜在纠缠的高度脆弱,而这在我们的案例中并不存在。”

  1. https://www.nature.com/articles/s41467-017-00898-6
  2. https://www.nature.com/articles/s41467-017-00897-7
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