量子粒子如何交換信息？關於量子信息的一個耐人尋味的假說最近通過維也納大學的實驗驗證得到了驗證。如果你從人群中隨機挑選一個人，他的身高明顯高於平均水平，那麼這個人很可能也會超過平均體重。這是因為，從統計學角度來看，對一個變量的了解往往能讓我們對另一個變量有一些了解。

裝有原子芯片的真空室。資料來源：托馬斯-施威格勒，維也納大學

量子物理學將這些相關性提升到另一個層次，在不同的數量之間建立更有力的聯繫：一個巨大的量子系統中的不同粒子或片段可以”共享”特定數量的信息。這一耐人尋味的理論前提表明，這種”相互信息”的計算竟然不受系統整體體積的影響，而只受其表面影響。

這一令人驚訝的結果已在維也納大學得到實驗證實，並發表在《自然-物理學》上。對該實驗及其解釋的理論投入來自位於Garching的Max-Planck-Institut für Quantenoptik、FU Berlin、蘇黎世聯邦理工大學和紐約大學。

量子信息： 比經典物理學允許的更強的聯繫

維也納量子科技中心（VCQ）–維也納大學Atominstitut的穆罕默德-塔吉克（Mohammadamin Tajik）是本出版物的第一作者，他說：”讓我們想像一個氣體容器，裡面的小顆粒飛來飛去，以一種非常經典的方式像小球一樣行事。如果系統處於平衡狀態，那麼在容器的不同區域的粒子對彼此一無所知。人們可以認為它們是完全相互獨立的。因此，可以說這兩個粒子共享的相互信息是零。”

然而，在量子世界中，事情是不同的：如果粒子的行為是量子化的，那麼可能發生的情況是，你不能再認為它們是相互獨立的。它們在數學上是相通的–如果不對另一個粒子說些什麼，你就無法有意義地描述一個粒子。

“對於這種情況，早就有一個關於多體量子系統的不同子系統之間共享的相互信息的預測，”穆罕默德-塔吉克解釋說。”在這樣的量子氣體中，共享的相互信息大於零，而且它不取決於子系統的大小–而只取決於子系統的外部邊界面。”

這個預言在直覺上似乎很奇怪： 在經典的世界裡，情況是不同的。例如，一本書中包含的信息取決於其體積–而不僅僅是書的封面面積。然而，在量子世界裡，信息往往與表面積密切相關。

用超冷原子進行測量

由Jörg Schmiedmayer教授領導的一個國際研究小組現在首次證實，多體量子系統中的相互信息與表面積而非體積成正比。為此，他們研究了一團超冷的原子。這些粒子被冷卻到略高於絕對零度的溫度，並被一個原子芯片固定在那裡。在極低的溫度下，粒子的量子特性變得越來越重要。信息在系統中擴散得越來越多，整個系統中各個部分之間的聯繫也變得越來越重要。在這種情況下，該系統可以用量子場理論來描述。

“這個實驗非常具有挑戰性，”Jörg Schmiedmayer說。”我們需要關於我們的量子系統的完整信息，就像量子物理學允許的那樣。為此，我們開發了一種特殊的斷層掃描技術。我們通過對原子進行一點點的擾動，然後觀察所產生的動態，來獲得我們所需要的信息。這就像把一塊石頭扔進一個池塘，然後從隨之而來的波浪中獲得關於液體和池塘狀態的信息。”

只要係統的溫度沒有達到絕對零度（這是不可能的），這種”共享信息”的範圍是有限的。在量子物理學中，這與”相干長度”有關–它表示粒子在量子上有類似行為的距離，從而彼此了解。

“這也解釋了為什麼共享信息在經典氣體中並不重要，”穆罕默德-塔吉克說。”在一個經典的多體系統中，相干性消失了；你可以說粒子不再知道關於它們相鄰粒子的任何事情。”溫度和相干長度對相互信息的影響也在實驗中得到證實。

量子信息在當今量子物理學的許多技術應用中起著至關重要的作用。因此，該實驗結果與各種研究領域相關–從固態物理到引力的量子物理研究。