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。 作者
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“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）
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）
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）
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” 原子的无序纠缠参考资料
[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
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