一種詭異的量子現(xiàn)象被首次測量

一種詭異的量子現(xiàn)象被首次測量

在量子物理學(xué)領(lǐng)域，不同的物理量之間可以存在很強(qiáng)的關(guān)聯(lián)。比如一個量子系統(tǒng)中的不同粒子或者部分粒子，可以“共享”一定量的信息。關(guān)于這一點(diǎn)，有一些看似奇特的理論預(yù)測。比如有人認(rèn)為，對這種“互信息”的測量，并不取決于系統(tǒng)的大小，而只取決于它的表面。

現(xiàn)在，這一令人訝異的觀點(diǎn)已經(jīng)在一組國際團(tuán)隊(duì)的實(shí)驗(yàn)中得到了證實(shí)。結(jié)果已發(fā)表在《自然·物理學(xué)》上。

量子信息的關(guān)聯(lián)

想象一個氣體容器中的情況，微小的顆粒在容器中飛來飛去，像一顆顆小球一樣以一種非常經(jīng)典的方式運(yùn)動。如果系統(tǒng)處于平衡態(tài)，那么分布在容器不同區(qū)域的粒子就對彼此一無所知，它們是相互完全獨(dú)立的。可以說，兩個粒子共享的互信息是零。

然而，在量子世界中，情況則有所不同。如果粒子的行為是量子化的，那么它們在數(shù)學(xué)上是相連的，也就是說它們不再是相互獨(dú)立的，如果忽略其他粒子，就無法有意義地描述出一個粒子。

對于這類情況，科學(xué)家很早就對多體量子系統(tǒng)的不同子系統(tǒng)之間共享互信息做出了預(yù)測。他們認(rèn)為，在這樣的量子氣體中，共享的互信息大于零，而且它并不取決于子系統(tǒng)的大小，而僅僅取決于子系統(tǒng)的外部邊界面。

這種預(yù)測從直覺上來說似乎很奇怪，這就好仿佛在說，一本書中包含的內(nèi)容多少并不取決于它的體積，而僅僅和圖書的封面面積有關(guān)。但這就是量子世界中的情況。

測量超冷原子

新研究所使用的是由超冷原子構(gòu)成的量子系統(tǒng)。這些粒子被冷卻到了略高于絕對零度的溫度，并被困在一個原子芯片中。在極低的溫度下，這些移動緩慢的粒子的量子特性會變得越來越重要， 信息在系統(tǒng)中也擴(kuò)散得越來越多，整個系統(tǒng)中各個部分之間的聯(lián)系也變得越來越顯著。在這種情況下，這個系統(tǒng)可以用量子場理論來描述。

在實(shí)驗(yàn)中，研究人員需要獲得關(guān)于量子系統(tǒng)的完整信息。這是非常具有挑戰(zhàn)性的工作。為此，他們開發(fā)了一種特殊的斷層掃描技術(shù)，通過輕微地擾動原子，然后觀察產(chǎn)生的動態(tài)，來獲取需要的信息。

在實(shí)驗(yàn)中，科學(xué)家創(chuàng)造了這個量子系統(tǒng)的兩個“拷貝”，它們是兩團(tuán)雪茄狀的原子云，會隨著時間的推移不斷演化而不產(chǎn)生相互影響。在這個過程的不同階段，團(tuán)隊(duì)進(jìn)行了一系列的實(shí)驗(yàn)，揭示出了這兩份拷貝的相關(guān)性。

通過構(gòu)建這些相關(guān)的整個歷史，可以推斷出系統(tǒng)的初始量子態(tài)是什么，并獲取有關(guān)它的屬性的信息。他們最初擁有的是一個有著極強(qiáng)耦合的量子液體，然后他們將它一分為二，讓其各自演化為兩個獨(dú)立的液體，最后再將它們重新組合，來揭示液體中的漣漪。這就好比在池塘里扔了一塊石頭，然后通過觀察池塘里的漣漪來獲取有關(guān)液體和池塘狀態(tài)的許多信息，并推斷石頭的屬性，比如它的大小、形狀和重量。

只要系統(tǒng)的溫度沒有降到絕對零度（這是不可能的），這種“共享信息”的范圍就是有限的。在量子物理學(xué)中，這與“ 相干長度”有關(guān)，它代表了一種距離范圍，在這個范圍里，粒子會有著相似的量子行為，從而它們知道彼此。

這同樣解釋了為什么共享信息在經(jīng)典氣體中無關(guān)緊要。因?yàn)樵谝粋�經(jīng)典多體系統(tǒng)中，相干性不復(fù)存在，粒子不再知道關(guān)于它們相鄰粒子的任何事情。此外，溫度和相干長度對互信息的影響也在實(shí)驗(yàn)中得到證實(shí)。

量子信息的重要性

量子信息在當(dāng)今量子物理學(xué)的許多技術(shù)應(yīng)用中起著至關(guān)重要的作用。因此，這項(xiàng)實(shí)驗(yàn)結(jié)果與各種研究領(lǐng)域相關(guān)，從固態(tài)物理到引力的量子物理研究無一不包。

這一突破為技術(shù)進(jìn)步提供了希望。研究人員介紹，在量子計算的時代，對正在構(gòu)建的系統(tǒng)進(jìn)行精確的表征至關(guān)重要。量子計算依賴于在不同子系統(tǒng)之間產(chǎn)生糾纏的能力，而這正是可以用實(shí)驗(yàn)開創(chuàng)的方法進(jìn)行探測的。這種精確表征的能力也可能帶來更好的量子傳感器，這也是量子技術(shù)的另一個應(yīng)用領(lǐng)域。