物理学家在室温下实现量子纠缠

分子工程研究所的研究生Paul Klimov在实验过程中调节激光束的强度。由于激光位于红外光谱内，因此人眼看不见。由Awschalom集团提供

芝加哥大学和阿贡国家实验室的最新发表的研究表明，在室温和小磁场下如何产生宏观纠缠。

纠缠是量子力学预言的最奇怪的现象之一，量子力学是现代物理学的基础：它说，两个粒子之间的联系是如此紧密，以至于一个粒子的状态可以立即影响另一个粒子的状态，无论它们之间有多远。

一个世纪前，纠缠是激烈的理论辩论的中心，使像阿尔伯特·爱因斯坦（Albert Einstein）这样的科学家感到困惑。如今，纠缠已被接受为自然事实，并且正在积极地探索它作为未来技术（包括量子计算机，量子通信网络和高精度量子传感器）的资源。

纠缠也是大自然中最难以捉摸的现象之一。产生粒子之间的纠缠需要它们以高度有序的状态开始，而热力学不利于控制热与其他形式的能量之间的相互作用的过程，而热力学是不利的。当试图在宏观尺度上实现大量粒子之间的纠缠时，这提出了一个特别艰巨的挑战。

“我们习惯的宏观世界看起来很整洁，但是在原子尺度上它完全是无序的。热力学定律通常会阻止我们观察宏观物体中的量子现象，”分子工程学院研究生，量子纠缠新研究的主要作者保罗·克利莫夫说。该研究所是UChicago和Argonne国家实验室之间的合作伙伴关系。

以前，科学家们已经克服了热力学的障碍，并通过进入超低温（-270摄氏度）并施加巨大的磁场（比典型的冰箱磁铁大1000倍）来实现固体和液体中的宏观纠缠。 。在11月20日出版的《科学进展》上，克利莫夫和分子工程研究所的大卫·奥夫绍姆教授小组的其他研究人员证明，可以在室温和小磁场下产生宏观纠缠。

研究人员使用红外激光对数千个电子和原子核的磁态进行排序（优先排列），然后对电磁脉冲进行纠缠（类似于用于常规磁共振成像（MRI）的电磁脉冲），以纠缠它们。该过程使半导体SiC的宏观的40微米立方体积（红细胞的体积）中的电子和原子对对纠缠。

“我们知道与半导体缺陷相关的原子核的自旋态在室温下具有出色的量子性质，” Liew分子工程教授和Argonne高级科学家Awschalom说。“它们与光子学和电子技术相干，寿命长且可控。有了这些量子“碎片”，创建纠缠的量子态似乎是可以实现的目标。

除了具有基本的物理意义外，“在环境条件下在电子级半导体中产生鲁棒纠缠态的能力对未来的量子器件也具有重要意义，” Awschalom说。

在短期内，此处使用的技术与先进SiC器件制造协议支持的复杂器件相结合，可以使量子传感器以纠缠为资源，从而超越传统（非量子）传感器的灵敏度极限。考虑到纠缠在环境条件下有效并且SiC具有生物友好性，因此在生物体内进行生物传感是一项特别令人兴奋的应用。

IBM的Thomas J. Watson研究中心和该研究结果的合著者Abram Falk说：“缠结增强型磁共振成像探针可能具有重要的生物医学应用，对此我们感到很兴奋。”

从长远来看，甚至有可能从同一SiC芯片上的纠缠态转变为远处SiC芯片上的纠缠态。允许与单量子态（在单个原子中）相反的宏观量子态彼此非常强烈地相互作用的物理现象可以促进这种努力，这对于产生高成功率的纠缠非常重要。已经提出了这样的长距离纠缠状态，用于同步全球定位卫星并以通过物理定律从根本上防止窃听者的方式传达信息。

出版物：Paul V. Klimov等人，“宏观固态自旋集合体在环境条件下的量子纠缠”，《科学进展》，2015年11月20日：卷1，没有10，e1501015； DOI：10.1126 / sciadv.1501015