量子場論的預測首次在實驗中得到證實
量子場論的預測首次在實驗中得到證實。糾纏是一種量子現象,在這種現像中,兩個或更多粒子的特性相互關聯,以至於人們無法再為每個粒子指定一個確定的狀態。相反,我們必須同時考慮共享某種狀態的所有粒子。粒子的糾纏最終決定了材料的特性。
研究人員獲得的溫度曲線顯示,與環境相互作用強烈的粒子是”熱”粒子(紅色),相互作用較弱的粒子是”冷”粒子(藍色)。因此,在粒子間相互作用強烈的地方,糾纏程度就大。來源:Helene Hainzer
目前發表在《自然》雜誌上的這篇論文的第一作者之一克里斯蒂安-科凱爾(Christian Kokail)強調說:”許多粒子的糾纏是與眾不同的特徵。但同時,這也很難確定”。
由因斯布魯克大學和奧地利科學院量子光學與量子資訊研究所(IQOQI)的彼得-佐勒(Peter Zoller)領導的研究人員現在提供了一種新方法,可以顯著改善對量子材料中糾纏的研究和理解。為了描述大型量子系統並從中提取有關現有糾纏的信息,完成之前層被認為不可能完成的大量測量。
理論物理學家里克-範比南(Rick van Bijnen)解釋說:”我們已經開發出一種更有效的描述方法,使我們能夠以大幅減少的測量次數從系統中提取糾纏信息。”
離子阱量子模擬器的進步
在具有51 個粒子的離子阱量子模擬器中,科學家們透過逐個粒子再現真實材料,並在受控實驗室環境中進行研究。世界上很少有研究小組能像克里斯蒂安-羅斯(Christian Roos)和萊納-布拉特(Rainer Blatt)領導的因斯布魯克實驗物理學家小組那樣,對如此多的粒子進行必要的控制。
“我們面臨的主要技術挑戰是如何在控制陷阱中51 個離子的同時保持低誤差率,並確保單個量子位元控制和讀出的可行性,”實驗員Manoj Joshi 解釋。在這過程中,科學家首次在實驗中看到了以前只在理論上描述過的效應。
“在這裡,我們將過去多年來共同研究出的知識和方法結合在了一起。”克里斯蒂安-科凱爾(Christian Kokail)最近加入了哈佛大學理論原子分子和光學物理研究所。
溫度曲線: 一條新捷徑
在量子材料中,粒子或多或少會發生強烈糾纏。對強糾纏粒子進行測量只會產生隨機結果。如果測量結果波動很大,即純粹隨機,那麼科學家稱之為”熱”。如果某種結果的機率增大,則是”冷”量子物件。只有對所有糾纏對象進行測量,才能揭示確切的狀態。
在由非常多粒子組成的系統中,測量的工作量會大大增加。量子場論已經預言,由許多糾纏粒子組成的系統的子區域可以被賦予一個溫度曲線。這些溫度曲線可用來推導粒子的糾纏程度。
在因斯布魯克量子模擬器中,這些溫度曲線是透過電腦與量子系統之間的回饋迴路來確定的,電腦不斷產生新的曲線,並將其與實驗中的實際測量結果進行比較。研究人員獲得的溫度曲線顯示,與環境相互作用強烈的粒子是”熱”的,而相互作用很少的粒子是”冷”的。克里斯蒂安-科凱爾說:”這完全符合人們的預期,即在粒子間相互作用強烈的地方,糾纏特別大。”
量子物理學的新視野
“我們開發的方法為研究相關量子物質中的大規模糾纏提供了強大的工具。這為利用當今已有的量子模擬器研究一類新的物理現像打開了大門,”量子設計大師彼得-佐勒(Peter Zoller)說。”使用經典計算機,這種模擬已經無法透過合理的努力來計算了”。
在因斯布魯克開發的方法也將用於在此類平台上測試新理論。
相關成果已發表在《自然》雜誌。