「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。」
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