不用上百萬的稀釋冷凍機,研究員破解量子高溫糾纏難題

作者 | 發布日期 2020 年 06 月 07 日 0:00 | 分類 量子電腦 Telegram share ! follow us in feedly


「遇事不決,量子力學」這句調侃,足以說明此領域有多熱門。但真正運用量子力學,可不是容易的事。

以量子計算為例,要充分發揮量子位元的並列計算能力,就得用到量子重要特徴:糾纏。

量子糾纏是指,兩個或多個粒子相互依存狀態,即使相隔數光年之遠。但量子的糾纏態十分不穩定,高溫和雜音都會破壞量子的糾纏特徴。

因此,量子相關實驗和技術應用,總是在接近絕對零度的環境進行。量子計算相關報導,經常出現非常蒸汽龐克風的裝置。

▲ IBM 量子電腦的稀釋冷凍機。

這裝置並不是量子電腦本體,而是用於冷卻的稀釋冷凍機,價格通常上百萬。它的工作是讓環境維持近絕對零度,以確保量子位元的穩定性。絕對零度是熱力學的最低溫度,即 0 開爾文,約等於 -273.15°C。

但也有一些研究者逆其道而行,探索高溫狀態下的量子糾纏特徴。

《Nature》子刊物《Nature Communications》最近發表的論文,說明研究者在 190°C 熾熱、無序原子氣體,成功製備並觀測到大範圍原子糾纏態,糾纏原子數為 10¹³ 這麼多。

論文名為《Measurement-induced, spatially-extended entanglement in a hot, strongly-interacting atomic system》(在強烈相互作用的熱原子系統,測量引起的空間延伸糾纏),第一作者是杭州電子科技大學孔嘉教授,其他作者來自西班牙光子科學研究所(ICFO)和巴斯克大學。

「量子」概念並不特指某種具體粒子,光子、電子或原子等微觀粒子都是量子。此論文研究者實驗的是原子糾纏。

具體而言,研究者用量子非破壞性(quantum non-demolition,QND)測量技術,偵測高溫下的原子系統。

QND 測量能克服量子雜訊,確保每次測量會得到相同結果。據 EurekAlert 報導,此技術具特定能量的雷射光子穿過原子氣室,與原子發生相互作用。

▲ 實驗示意圖。

光子特定能量確保原子不會觸發,而光子偏振特徴卻會受原子自旋影響,發生偏轉。自旋是粒子內在性質,每個粒子都有特有的自旋,自旋數不同就是不同類的粒子,性質也不同。透過測量光子穿過氣室後偏振的變化量,推斷出原子總自旋資訊。

研究人員觀察到,即使原子自旋動力學包括強烈的局部相互作用,QND 也可在熱原子系統產生糾纏,糾纏原子數約是已有報告的最大糾纏數的 100 倍。

▲ 糾纏原子雲示意圖,黃藍線條表示一對原子間的糾纏。(Source:ICFO

在熱原子系統製備糾纏,不是容易的事。《Nature》編輯曾如此說明:熱原子氣體因熾熱和無序特徴可比做自由散漫的平民,而冷原子因整齊劃一的運動秩序,就是井然有序的軍人。

論文第一作者孔嘉說:「不難想像在軍隊中(冷原子氣體)更容易製備和維持這種連結特徴,而想在自由散漫、沒有紀律、互不相識的平民(熱原子氣體)建立連結是難上加難,且建立的連結能否維持也是挑戰(考慮到隨著溫度升高越來越猛烈的碰撞)。」

由於研究採用的感測介質和工作環境,與 SERF 原子磁力計完全相同,因此論文結果可應用在磁場探測領域。

SERF 全稱無自旋交換馳豫(spin-exchange-relaxation-free),基於這種方法設計的原子磁力計,是一種超靈敏磁探裝置, 以 100~200°C 的高溫原子為感測介質,可用於腦磁和心磁等生物磁場探測。

相較常見的核磁共振譜儀和核磁共振成像,SERF 磁力計的靈敏度更高,且執行成本更低。

過去有不少研究利用冷原子的糾纏態,提高磁場探測的靈敏度。這篇論文成果證明,糾纏態於 190°C 高溫、無序原子氣體中,可提高 SERF 原子磁力計的探測靈敏度。

一位 ICFO 教授說:「這結果令人驚訝,與我們通常對糾纏的期望完全相反。我們希望這種大範圍的糾纏態能提升感測器的靈敏度,包括大腦成像、自駕車及暗物質探測等應用,達到更好的感測效能。」

(本文由 PingWest 授權轉載;首圖來源:ICFO