无接触的独立粒子的量子纠缠-曾经

粒子的身份使它们纠缠在一起，也可以以纯净形式观察到它们之间没有相互作用。

什么是互动，何时发生？直觉表明，独立创建的粒子相互作用的必要条件是它们直接接触或通过物理力载体接触。在量子力学中，相互作用的结果是纠缠-系统中非经典相关性的出现。似乎量子理论允许缠结独立的粒子而没有任何接触。同类粒子的基本身份是造成这种现象的原因。

“整体不是其各个部分的总和。”-亚里斯多德（形而上学，第八卷）

量子力学是目前物理学家用来描述我们周围世界的最好，最准确，最复杂的理论。然而，它的特征是众所周知地导致严重的解释问题的抽象数学语言。该理论提出的关于现实的观点仍然是科学争执的主题，它并没有随着时间的流逝而变得越来越热烈和有趣。从量子信息和实验技术的巨大进步所产生的崭新视角提出了新的动机和有趣的问题。这可以验证从与解释问题直接相关的微妙思想实验得出的结论。此外，我们现在正在目睹量子通信和量子计算机技术领域的巨大进步，该技术极大地利用了量子力学提供的非经典资源。

来自克拉科夫的波兰科学院核物理研究所的Pawel Blasiak和来自格但斯克大学的Marcin Markiewicz的工作着重于分析关于量子力学的基本原理和解释的广泛接受的范式和理论概念。研究人员试图回答这个问题，即在现实的世界观中，用来描述量子力学过程的直觉在多大程度上是合理的。为此，他们尝试使用数学语言来阐明特定的理论思想，这些思想通常以模糊的直觉形式发挥作用。这种方法经常导致鼓舞人心的悖论的出现。当然，与给定悖论相关的概念越基本越好，因为它为深入了解给定问题打开了新的大门。

本着这种精神，两位科学家决定思考一个基本问题：什么是相互作用，什么时候发生？在量子力学中，相互作用的结果是纠缠，纠缠是系统中非经典相关性的出现。想象一下在遥远的星系中独立产生的两个粒子。似乎出现纠缠的必要条件是要求粒子在其演化的某个点相互接触，或者至少应该通过另一粒子或物理场进行间接接触以传递相互作用。他们还如何建立这种神秘的联系，即量子纠缠？然而，矛盾的是，事实证明这是可能的。量子力学可以使纠缠发生而无需任何甚至间接的接触。

为了证明这一令人惊讶的结论是正确的，应该提出一种方案，其中粒子将在一定距离处显示非局部相关性（在Bell型实验中）。这种方法的精妙之处在于排除了将交互理解为沿途某种接触形式的可能性。这样的方案也应该非常经济，因此它必须排除可能介导这种相互作用的力载体（物理场或中间粒子）的存在。Blasiak和Markiewicz展示了如何从Yurke和Stoler的最初考虑出发如何做到这一点，他们将其重新解释为来自不同来源的粒子所遍历的路径的排列。这种新的视角允许生成两个和三个粒子的任何纠缠状态，从而避免任何接触。所提出的方法可以容易地扩展到更多的粒子。

如何在不相互作用的情况下使独立粒子纠缠一段距离？量子力学本身给出了提示，其中假定了身份（所有同类粒子的基本不可区分性）。例如，这意味着整个宇宙中的所有光子（以及其他基本粒子家族）都是相同的，而不管它们的距离如何。从形式上看，这可以归结为玻色子的波函数的对称化或费米子的反对称性。粒子同一性的影响通常与其统计信息相关联，这些统计信息会对交互多粒子系统的描述产生影响（例如Bose-Einstein凝聚物或固态能带理论）。在较简单的系统中，粒子同一性的直接结果是费米排除费米原理或玻色子在量子光学中成束。所有这些效应的共同特征是粒子在空间中的一点上的接触，这遵循简单的相互作用直觉（例如，在粒子理论中，这归结为相互作用的顶点）。因此，只能以这种方式观察到对称化后果的信念。但是，相互作用本质上会引起纠缠。因此，尚不清楚是什么原因导致了观察到的效果和非经典的相关性：它本身是相互作用，还是粒子固有的不可区分性？两位科学家提出的方案绕过了这一难题，消除了可能通过任何接触发生的相互作用。因此，非经典相关性是粒子同一性假设的直接结果。因此，发现了一种从其基本的不可分辨性中完全激活纠缠的方法。

从关于量子力学基础的问题开始，这种观点实际上可以用于生成量子技术的纠缠态。本文介绍了如何创建两个和三个量子位的纠缠状态，并且这些想法已经通过实验实现。似乎可以将所考虑的方案成功扩展以创建任何纠缠的多粒子状态。作为进一步研究的一部分，两位科学家都打算从理论解释和实际应用的角度详细分析相同粒子的假设。

一个令人惊讶的事实是，粒子的不可区分性的假设不仅是一种正式的数学程序，而且以其纯净的形式会导致在实验室中观察到的后果。宇宙中所有相同粒子中固有的非局部性吗？监视器屏幕发出的光子和宇宙深处来自遥远星系的光子似乎仅因它们的相同性质而纠缠在一起。这是科学即将面临的一个重大秘密。

参考：Pawel Blasiak和Marcin Markiewicz的“纠缠三个量子位而从未碰过”，2019年12月27日，《科学报告》。DOI：
10.1038 / s41598-019-55137-3

Henryk Niewodniczanski核物理研究所（IFJ PAN）目前是波兰科学院最大的研究所。IFJ PAN的广泛研究和活动包括基础研究和应用研究，范围从粒子物理学和天体物理学到强子物理学，高，中，低能核物理，凝聚态物理（包括材料工程），再到核物理方法在跨学科研究中的各种应用，涵盖医学物理学，剂量学，辐射与环境生物学，环境保护以及其他相关学科。IFJ PAN的年均产量包括Clarivate Analytics发布的Journal Citation Reports中的600多篇科学论文。该研究所的一部分是回旋加速器布鲁诺维采（CCB），这是中欧独有的基础设施，可作为医学和核物理领域的临床和研究中心。IFJ PAN是Marian SmoluchowskiKraków研究联盟的成员：“物质-能量-未来”在2012-2017年期间拥有领先的国家物理研究中心（KNOW）的地位。2017年，欧洲委员会向研究所授予了HR杰出研究奖。该研究所在科学和工程领域属于A +类（波兰领先水平）。