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美国布鲁克海文国家实验室(BNL)的物理学家发现了一种全新类型的量子纠缠,这种幽灵般的现象可在任何距离上捆绑一对粒子。新发现称,量子纠缠并不限于完全相同的两个微观粒子之间,也可以发生在两个不同的粒子之间。在粒子对撞机实验中,新类型的量子纠缠让科学家能观察到原子核内部的更多细节,也可能带来其它新的科技。
此示意图中的两个黄色半圆形代表两个金离子,蓝色和粉色的四个小球分别代表正负π介子,来自正π介子(蓝色)的波形彼此加强,来自负π介子(粉色)的波形也彼此加强,最终到达探测器。研究者称,这说明由金离子产生的正负π介子处于量子纠缠态。(布鲁克海文国家实验室)
成对粒子的量子态相互纠缠在一起,以至于无论相距多远,都无法独立地描述其中的任何一个。更奇怪的是,改变一个粒子会立即引发另一个粒子的改变,即便另一个在宇宙的另一端。这个被称为量子纠缠的概念简直不可思议,因为我们人类本身处于经典物理学领域。就连爱因斯坦也会对此感到不安,称其为“幽灵般的超距作用”。然而,几十年的实验一直在支持它,它构成了量子计算机和量子网络等新兴技术的基础。
这一发现是在布鲁克海文实验室的相对论重离子对撞机(RHIC)上做出的,并发表于1月4日的《科学进展》(Science Advances)上。对撞机通过加速和粉碎金离子来探测早期宇宙中的物质形式。但团队发现,即使离子没有发生碰撞,也可以从中学到很多东西。
加速的金离子被小的光子云包围,当两个离子彼此靠近时,一个离子周围的光子可以捕获另一个离子内部结构的图像,而且比以前观测到的更为详细。光是这一点就足以让物理学家着迷,不过这其实要归功于新发现的量子纠缠形式。
光子与每个金离子核内的基本粒子相互作用,引发级联反应,最终产生一对称为π介子的粒子,一正一负。粒子也可以被描述为波的形式,在这种情况下,来自两个负π介子的波相互增强,而来自两个正π介子的波也相互增强。这导致只有一个正π介子和一个负π介子波函数撞击探测器。
研究者称,这表明每对正负π介子相互纠缠在一起,即处于量子纠缠态。团队表示,如果不是这样,撞击探测器的波函数将是完全随机的。因此,这是首次检测到不同粒子之间的量子纠缠。
“我们测量了两个被输出的粒子,很明显其电荷是不同的——也就是说这是电荷一正一负两个不同的粒子——表明这些粒子相互纠缠或同步,即使它们是可区分的粒子,”该研究的作者之一许长补(Zhangbu Xu,音译)博士说。
随着我们对量子物理学的理解不断扩展,这一发现可能会带来新的技术,例如该团队用来观察金离子核内部的新方法等。
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