某科學の超電報

量子糾纏研究的新突破:科學家成功讓量子糾纏的原子數打破紀錄!

2020/05/21 |

快訊標籤感測技術量子糾纏

糾纏 (quantum entanglement) 是在量子狀態中才會發生的現象,而糾纏的粒子在暴露於外界時就會失去這種難以解釋的聯繫。而今,物理學家設法製造出數兆個量子糾纏的原子集合,打破了過去的數量記錄,也顯示量子糾纏的狀態並不像以前想像的那麼脆弱。

量子糾纏在過去是科學難以解釋的現象。圖\GIPHY

「量子糾纏」究竟是什麼?它又可以運用在哪?

量子糾纏是成對或成組的粒子彼此間不論距離多遠都會有相關聯的狀態,以至於測量一個粒子的狀態將會立即改變另一個粒子的性質,這聽起來雖然很奇怪了,但是其含義可能會破壞我們對物理學的全部理解。因為不知何故,它們之間的訊息傳遞速度似乎比光速快得多,而這在傳統的物理學中是不可能發生的事情。

愛因斯坦本人最初並不相信有量子糾纏的存在,而是認為它是「鬼魅般的超距作用」,而是將其歸咎於隱藏的變量。但是數十年的實驗表明,量子糾纏確實是存在的,而且我們已經開始將這種現像運用於新技術,例如更快,更安全的通訊網路,還有量子運算等。

量子糾纏被證明存在後,開始發展應用技術。圖\pixabay

但是一個問題是,粒子之間的這種聯繫非常善變,因此來自其他粒子或事件的細微干擾可以使它們分離。為了防止這種情況的發生,大多數使用量子糾纏的實驗和技術只能在接近絕對零度 (-273.15 °C) 的超冷溫度下工作。此時幾乎所有運動都停止了,因此不會有干擾會切斷鏈接。

「量子糾纏」技術新突破!未來應用領域超廣泛!

當然,如果要商用化或用於消費性產品,是不可能在絕對零度下使用的,因此科學家正在嘗試尋找方法,能夠在高溫下讓原子也產生量子糾纏,過去曾有研究在室溫下成功了,而現在在更高的溫度下也能夠做到量子糾纏。

這項新的研究是由西班牙光電科學研究所 (ICFO)、杭州電子科技大學,以及瓦倫西亞工業大學的研究人員共同進行的。該團隊將銣金屬與氮氣混合,並加熱到 176.9 °C 。在該溫度下,金屬會蒸發,導致游離的銣原子在反應室周圍漂浮。它們在其中相互糾纏,團隊可以將雷射打在氣體中來測量糾纏。

研究人員觀察到氣體中多達 15 兆個糾纏原子,他們說這是任何其他實驗的約 100 倍。有趣的是,糾纏不一定是彼此靠近的原子才會發生的狀況,在任何給定的原子對之間有成千上萬個其他原子,每個原子都有自己的伙伴。

研究發現糾纏不一定發生在彼此靠近的原子之間,在任何給定的原子對之間都有可能發生糾纏。(圖僅為是意)圖\GIPHY

但是這項研究中最有趣的部分是,糾纏的狀態可能不像科學家們想像的那麼脆弱。在這種熱的高能氣體中,原子不斷地相互反彈,但量子糾纏仍然存在。碰撞似乎並沒有破壞糾纏,而是將糾纏傳遞給其他原子。

團隊發言人表示,根據他們的測量,糾纏可持續約一毫秒,這意味著每秒將會有 1,000 次新一批 15 兆個原子發生糾纏,而且 1 毫秒對於原子來說是很長的時間,這足以發生約 50 次隨機碰撞。因此,實現可清楚地看出,這些隨機事件不會破壞糾纏,這也許是最令人驚訝的結果。

研究小組說,這一發現可能在幾個領域有所幫助。特別是腦磁振造影圖,這是一種磁腦成像技術,它可使用這些氣體來檢測來自大腦活動的極其微弱的磁信號。

西班牙團隊所發現的結果令人驚訝,與目前科學家對糾纏的期望完全不同。而該團隊也希望這種巨大的糾纏狀態可協助感測技術的突破,提昇大腦成像、自駕車,到暗物質搜索等應用的功效。

  • 本文改寫自光電協進會新聞稿,原標題為【量子系列】 科學家成功讓量子糾纏的原子數打破紀錄 。
  • 關於「財團法人光電科技工業協進會」:

鑑於光電科技之應用日趨成熟廣泛,以及世界各先進國家競相投入,台灣亦將光電產業列為科技發展重點之一, 遂於 1991 年 5 月 31 日,前資政李國鼎先生、前部長趙耀東先生及前國科會主任委員夏漢民先生與籌備處負責人石大成博士, 共同邀集二十多位學界及企業界領袖召開設立「光電科技工業協進會」發起人會議。同年 11 月經國科會報請政院核覆同意成立;至 1993 年 4 月 13 日完成法人登記。目前為隸屬於中華民國行政院科技部下之政府、民間共同捐助之財團法人。

 



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