不用上百万的稀释制冷机研究员破解量子高温纠

  • 时间:2020-06-13 18:57
  • 作者:18luck
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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。

  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。

  《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。

  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。

  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。”

  [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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