量子纠缠得以实现

2009年12月23日,加利福尼亚州,帕萨迪纳——允许科学家观察微力学系统中的量子行为的一种新的模式已经由加州理工学院(Caltech)的研究人员实现了。

他们提出了一种新的方法,可以用来解决量子力学中一个极富吸引力的问题:在更大更复杂的系统中的量子叠加和纠缠的性质。

量子叠加是指粒子,如光子或原子,同时存在于两个位置的一种状态。而量子纠缠使得粒子之间可以共享信息,即使他们在物理上是分开的,也就是爱因斯坦所说的“幽灵般的超距作用(spooky action at a distance)”。

观察一个小的力学系统中的量子行为的主要挑战是系统和其噪声环境——也就是支撑该系统的周围物质或任何其他外部联系——之间的相互抑制作用。例如,该系统所处环境的随机热振动可能会转移到系统中的对象上,从而破坏其脆弱的量子特性。为了解决这个问题,全世界不少研究机构都开始使用低温冷却设备,将直接环境冷却到非常低的温度,以减少这些随机振动的幅度低温设置。

加州理工学院的研究者提出了一个完全不同的方法——利用强光束产生的作用力使整个力学对象“漂浮”起来,从而将系统从外部联系和物质支持上隔离开来。研究人员发现的这种方法可以大大减小环境噪音,即使是在室温下都有可能观察到量子行为的各种表现。

参与这项工作的科学家有Darrick Chang,美国加州理工学院量子信息研究所博士后;Oskar Painter,应用物理学副教授;H. Jeff Kimble,加州理工学院William L. Valentine教授和物理学教授。

利用光学力俘获或悬浮小粒子的想法是现实可行的。它由贝尔实验室的Arthur Ashkin在二十世纪七八十年代始创,并为科学进步奠定了基础。如经常被用来控制微小生物物体的运动的“光镊”的出现,以及使用激光来冷却和俘获原子。这些技术提供了非常灵活而多样的操纵原子的方法,并且已经被用来演示原子尺度上的各种量子现象。

在这项新的工作中Chang和他的同事们证明,理论上来说,只要是在纳米尺度上,即使用一个更大规模的力学系统来取代一个单独的原子也有可能取得类似的成功。与此同时,德国Garching,Max Planck量子光学研究所的一个研究组已经提出了一个相关的研究方案(来进行实践探索,译者注)。

由加州理工学院的研究小组提出的系统由一个高透明材料,如熔融石英,制成的微小球体构成。当球体与激光光束接触,光学力很自然地将它推向光强度最大的方向,在这一点将其捕获。该球体的直径约为100纳米,相当于人的头发丝直径的千分之一。由于其体积小,该球体与外部环境之间的剩余相互作用足够微弱,量子行为应该很容易出现。这里的剩余相互作用指的是除与另一种物质直接接触之外的其它任何作用,因为小球是“悬浮”的。

然而,为了让类似的现象能够出现,还必须将该球体置于一个光学谐振腔内。光学谐振腔是由两个安置在该系统两边的镜子组成的。在镜子之间来回反射的光束能够探测该球体的运动,从而可以被用于在量子力学的水平上对其运动进行控制。

研究人员描述了这种作用是如何减小机械运动的能量(或者说冷却)直到系统达到量子基态(量子力学所允许的最低能量状态)的。这一过程的根本性限制在于光学冷却(效果)与热量在环境和系统之间双向传导的速率的相对优势。

原则上来说,可以将这个近似孤立的球体从室温冷却到1000万分之一那么低;在这样过冷的状态下,限定区域中的物质仅在固有的量子涨落所允许的最小(能量)范围内运动。

研究人员还提出一项计划来观察“量子纠缠”的特性。量子纠缠是量子力学的核心内容之一。两个远离的系统通过量子纠缠所共享的信息比经典物理所允许的要多。在某些情况下,纠缠态可能是一个非常宝贵的资源;它是使先进的计量学和速度更快的量子计算机成为现实的基础。

该提计包括将一对初始纠缠的光束(该成果由加州理工学院的Kimble领导的研究小组于1992年首次完成)分别发射到两个谐振腔中,每一束都包含一个悬浮的球体。通过量子态转移过程,光的所有属性——尤其是纠缠态及其相关性——都可以映射到两个球体的运动上。

虽然这些纳米级的力学对象的大小与我们日常生活中见到的物体相去甚远,加州理工学院的研究人员仍然坚信,他们的研究结果显示出在前所未有的大尺度——大约包含1000万个原子——的物体上实现和控制量子现象的可能性。

该项目的研究人员还包括加州理工学院研究生Dalziel Wilson和博士后学者Cindy Regal and Scott Papp;Jun Ye,JILA(位于Boulder的Colorado大学与美国国家标准与技术研究所的联合研究机构)的研究员;Peter Zoller,Innsbruck大学教授。这项工作是在Gordon and Betty Moore的著名学者,Ye和Zoller在加州理工学院做访问学者的时候展开的。

该项目得到Gordon and Betty Moore Foundation, the National Science Foundation, the Army Research Office, Northrop Grumman Space Technology, the Austrian Science Fund and European Union Projects共同支持。

要想了解更多信息,请访问 www.caltech.edu

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1 条关于 “量子纠缠得以实现” 的评论

  1. 引用通告: “光子分子”系统诞生 « 光子学·Photonics

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