450开尔文处的15万亿个原子的量子纠缠具有“令人惊讶的结果”

原子云的艺术插图，成对的粒子相互缠结，以黄蓝色线条表示。

量子纠缠是一个过程，通过该过程，微观物体（如电子或原子）失去了惯性，从而变得更好地相互配合。纠缠是量子技术的核心，它有望在计算，通信和传感（例如检测引力波）方面取得巨大进步。

纠缠状态众所周知是脆弱的：在大多数情况下，即使是很小的干扰也可以消除纠缠。由于这个原因，当前的量子技术非常费力地分离与它们一起工作的微观系统，并且通常在接近绝对零的温度下运行。相比之下，ICPO小组将一组原子加热到450开尔文，比大多数用于量子技术的原子高出数百万倍的温度。而且，单个原子根本不是孤立的。它们每隔几微秒彼此碰撞，每次碰撞使它们的电子朝随机方向旋转。

研究人员使用激光监控这种热的，混沌气体的磁化强度。磁化是由原子中旋转的电子引起的，并提供了一种研究碰撞影响和检测纠缠的方式。研究人员观察到的是大量纠缠的原子-比以前观察到的原子多约100倍。他们还看到纠缠是非局部的-它涉及彼此不靠近的原子。在任何两个纠缠的原子之间，还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，处于巨大，炽热且混乱的纠缠状态。

玻璃电池的图片，其中metal金属与氮气混合并加热到开氏450度。在那样高的温度下，金属蒸发，生成游离的atoms原子，这些原子在电池内部扩散。

该研究的第一作者贾刚回忆说，他们还看到，“如果我们停止测量，纠缠将保持约1毫秒，这意味着每秒将有1000次新的15万亿个原子纠缠。而且您必须认为1毫秒对于原子来说是很长的时间，足够长，足以发生约五十次随机碰撞。这清楚地表明，这些随机事件不会破坏纠缠。这也许是这项工作最令人惊讶的结果。”

对这种热而混乱的纠缠状态的观察为超灵敏磁场检测铺平了道路。例如，在脑磁图（脑磁成像）中，新一代传感器使用这些相同的高温高密度原子气体来检测由大脑活动产生的磁场。新的结果表明，纠缠可以提高该技术的灵敏度，该技术已在基础脑科学和神经外科领域得到应用。

正如ICFO Morgan Mitchell的ICREA教授所说，“这一结果令人惊讶，与每个人对纠缠的期望完全背道而驰。”他补充说：“我们希望这种巨大的纠缠态将在从大脑成像到自动驾驶汽车到暗物质搜索等应用中带来更好的传感器性能。”

自旋单线态和QND

自旋单重态是纠缠的一种形式，其中多个粒子的自旋-其固有角动量-总计为0，这意味着系统的总角动量为零。在这项研究中，研究人员应用了量子不爆裂（QND）测量来提取自旋数万亿个原子的信息。该技术使具有特定能量的激光光子穿过原子气体。这些具有这种精确能量的光子不会激发原子，但是它们本身会受到相遇的影响。原子的自旋像磁铁一样旋转光的偏振。通过测量光子穿过云层后极化的变化量，研究人员能够确定原子气体的总自旋。

SERF政权

当前的磁力计工作在一种称为SERF的状态下，远离研究人员通常用来研究纠缠原子的接近绝对零温度。在这种情况下，任何原子都会与其他相邻原子发生许多随机碰撞，从而使碰撞对原子状态产生最重要的影响。另外，由于它们处于热介质中而不是超冷介质中，因此碰撞使任意给定原子中的电子自旋迅速随机化。令人惊讶的是，实验表明，这种扰动不会破坏纠缠态，它只会使纠缠从一个原子传递到另一个原子。

参考：贾刚，里卡多·吉门尼斯·马丁内斯，查里克·特鲁里努，维托·乔瓦尼·卢维奇罗，盖萨·托斯和摩根·米切尔，“测量引起的，在空间上扩展的，纠缠的，强烈相互作用的原子系统中的纠缠”，2020年5月15日，自然通讯.DOI：
10.1038 / s41467-020-15899-1