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小小天看世界 5万亿原子的“热乱”纠缠


小小天看世界 5万亿原子的“热乱”纠缠
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本文参加百家号#科学了不起#系列征文赛 。
量子纠缠是一个过程 ， 电子或原子等微观物体失去了它们的个体性 ， 从而使它们相互之间变得更好地协调 。 纠缠是量子技术的核心 ， 它有望在计算、通信和传感方面取得巨大的进步 ， 例如探测引力波 。
纠缠状态是出了名的脆弱：在大多数情况下 ， 即使是一个微小的干扰也会使纠缠失效 。 介于这个原因 ， 目前的量子技术在隔离它们所工作的微观系统方面付出了巨大的努力 ， 通常在接近绝对零度的温度下工作 。 相比之下 ， 巴塞罗那科学技术学院光子科学研究所（ICFO）团队在最近的一项实验中 ， 将一个原子集合加热到450开尔文 ， 比大多数用于量子技术的原子热数百万倍 。 此外 ， 单个原子并不是孤立的 ， 它们每隔几微秒就会发生一次碰撞 ， 每次碰撞都会使它们的电子向随机方向旋转 。
小小天看世界 5万亿原子的“热乱”纠缠
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研究人员用激光来监测这种高温、混沌气体的磁化 。 这种磁化是由原子中旋转的电子引起的 ， 为研究碰撞的效果和检测纠缠提供了一种方法 。 研究人员观察到的是大量的纠缠原子 ， 大约是以前观察到的100倍 。 他们还看到 ， 这种纠缠是非局域性的 ， 它涉及到的原子是并不相邻的原子 。 在任何两个纠缠的原子之间都有成千上万的其他原子 ， 其中许多原子与其他原子纠缠在一起 ， 形成了一个巨大的、热的、杂乱的纠缠状态 。
他们还看到了什么 ， 正如该研究的第一作者JiaKong说的那样 ， "如果我们停止测量 ， 纠缠会保持大约1毫秒 ， 这意味着每秒钟1000次 ， 就有一批新的15万亿个原子被纠缠 。 而你一定认为1毫秒对原子来说是一个非常长的时间 ， 足够50次左右的随机碰撞发生 。 这显然表明 ， 纠缠并没有被这些随机事件破坏 。 这也许是这项工作中最令人惊讶的结果 。 "
观察到这种炽热而杂乱的纠缠状态 ， 为超灵敏的磁场探测铺平了道路 。 例如 ， 在脑磁成像中 ， 新一代的传感器利用这些同样热的高密度原子气体来检测大脑活动产生的磁场 。 新的结果表明 ， 纠缠可以提高这种技术的灵敏度 ， 在脑科学和神经外科基础科学领域有应用 。
ICFO的MorganMitchell教授说："这个结果让人惊讶 ， 这确实与大家对纠缠的预期相差甚远 。 我们希望这种巨大的纠缠状态能带来更好的传感器性能 ， 应用范围从脑成像到自驾汽车到暗物质的搜索等 ， 都能带来更好的传感器性能 。 "
小小天看世界 5万亿原子的“热乱”纠缠
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自旋单子是纠缠的一种形式 ， 在这种纠缠中 ， 多个粒子的自旋—它们的本征角动量增加到0 ， 这意味着系统的总角动量为零 。 在这项研究中 ， 研究人员应用量子非解离(QND)测量技术提取了万亿原子的自旋信息 。
该技术将具有特定能量的激光光子穿过原子气体中的原子 。 具有这种精确能量的光子并不会激发原子 ， 但它们本身也会受到相遇的影响 。 原子的自旋就像磁铁一样 ， 使光的极化旋转 。 通过测量光子经过云层后光子的偏振变化程度 ， 研究人员能够确定原子气体的总自旋 。
目前的磁力计工作在一个被称为SELF的体系中 ， 远离研究人员通常用于研究纠缠原子的近绝对零度温度 。 在这个体系中 ， 任何原子都会经历许多与其他相邻原子的随机碰撞 ， 使碰撞成为对原子状态最重要的影响 。
此外 ， 由于它们是在热介质而不是超冷介质中 ， 碰撞会迅速使任何原子中的电子自旋随机化 。 实验表明 ， 这种扰动并没有打破纠缠状态 ， 它只是将纠缠从一个原子传递到另一个原子 。
【小小天看世界 5万亿原子的“热乱”纠缠】论文标题为《Measurement-induced,spatially-extendedentanglementinahot,strongly-interactingatomicsystem》 。


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