一种诡异的量子现象被首次测量

KouShare 蔻享学术 2023-08-02

在量子物理学领域，不同的物理量之间可以存在很强的关联。比如一个量子系统中的不同粒子或者部分粒子，可以“共享”一定量的信息。关于这一点，有一些看似奇特的理论预测。比如有人认为，对这种“互信息”的测量，并不取决于系统的大小，而只取决于它的表面。

现在，这一令人讶异的观点已经在一组国际团队的实验中得到了证实。结果已发表在《自然·物理学》上。

量子信息的关联

想象一个气体容器中的情况，微小的颗粒在容器中飞来飞去，像一颗颗小球一样以一种非常经典的方式运动。如果系统处于平衡态，那么分布在容器不同区域的粒子就对彼此一无所知，它们是相互完全独立的。可以说，两个粒子共享的互信息是零。

然而，在量子世界中，情况则有所不同。如果粒子的行为是量子化的，那么它们在数学上是相连的，也就是说它们不再是相互独立的，如果忽略其他粒子，就无法有意义地描述出一个粒子。

对于这类情况，科学家很早就对多体量子系统的不同子系统之间共享互信息做出了预测。他们认为，在这样的量子气体中，共享的互信息大于零，而且它并不取决于子系统的大小，而仅仅取决于子系统的外部边界面。

这种预测从直觉上来说似乎很奇怪，这就好仿佛在说，一本书中包含的内容多少并不取决于它的体积，而仅仅和图书的封面面积有关。但这就是量子世界中的情况。

测量超冷原子

新研究所使用的是由超冷原子构成的量子系统。这些粒子被冷却到了略高于绝对零度的温度，并被困在一个原子芯片中。在极低的温度下，这些移动缓慢的粒子的量子特性会变得越来越重要，信息在系统中也扩散得越来越多，整个系统中各个部分之间的联系也变得越来越显著。在这种情况下，这个系统可以用量子场理论来描述。

在实验中，研究人员需要获得关于量子系统的完整信息。这是非常具有挑战性的工作。为此，他们开发了一种特殊的断层扫描技术，通过轻微地扰动原子，然后观察产生的动态，来获取需要的信息。

物理学家创造了一块原子芯片，用于捕获超冷原子并研究量子系统的特性。（图/Thomas Schweigler, TU Wien）

在实验中，科学家创造了这个量子系统的两个“拷贝”，它们是两团雪茄状的原子云，会随着时间的推移不断演化而不产生相互影响。在这个过程的不同阶段，团队进行了一系列的实验，揭示出了这两份拷贝的相关性。

通过构建这些相关的整个历史，可以推断出系统的初始量子态是什么，并获取有关它的属性的信息。他们最初拥有的是一个有着极强耦合的量子液体，然后他们将它一分为二，让其各自演化为两个独立的液体，最后再将它们重新组合，来揭示液体中的涟漪。这就好比在池塘里扔了一块石头，然后通过观察池塘里的涟漪来获取有关液体和池塘状态的许多信息，并推断石头的属性，比如它的大小、形状和重量。

只要系统的温度没有降到绝对零度（这是不可能的），这种“共享信息”的范围就是有限的。在量子物理学中，这与“相干长度”有关，它代表了一种距离范围，在这个范围里，粒子会有着相似的量子行为，从而它们知道彼此。

这同样解释了为什么共享信息在经典气体中无关紧要。因为在一个经典多体系统中，相干性不复存在，粒子不再知道关于它们相邻粒子的任何事情。此外，温度和相干长度对互信息的影响也在实验中得到证实。

量子信息的重要性

量子信息在当今量子物理学的许多技术应用中起着至关重要的作用。因此，这项实验结果与各种研究领域相关，从固态物理到引力的量子物理研究无一不包。

这一突破为技术进步提供了希望。研究人员介绍，在量子计算的时代，对正在构建的系统进行精确的表征至关重要。量子计算依赖于在不同子系统之间产生纠缠的能力，而这正是可以用实验开创的方法进行探测的。这种精确表征的能力也可能带来更好的量子传感器，这也是量子技术的另一个应用领域。

#创作团队：

撰文：Takeko

排版：雯雯

#参考来源：

https://www.nyu.edu/about/news-publications/news/2023/april/scientists-have-full-state-of-a-quantum-liquid-down-cold.html

本文经授权转载自微信公众号「原理」（ID：principia1687）

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