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关键材料检测固体中的量子纠缠

量子创投界

2021-11-09

导读：当两个粒子在没有物理联系的情况下出现交流时，就会出现量子纠缠，这种非常有名的现象被爱因斯坦称为 "远距离的幽灵行动"。

一种材料的自旋，被描绘成红色的球体，被散射的中子探测到。应用纠缠见证，例如图中的QFI计算，使中子形成一种量子规。这种量规使研究人员能够区分经典和量子自旋波动。资料来源：Nathan Armistead/ORNL，美国能源部

当两个粒子在没有物理联系的情况下出现交流时，就会出现量子纠缠，这种非常有名的现象被爱因斯坦称为 "远距离的幽灵行动"。近90年后，由美国能源部橡树岭国家实验室（ORNL）领导的一个团队证明了 "量子纠缠证人 "的可行性，它能够证明量子材料中的磁性粒子或自旋之间存在纠缠现象。

该团队--包括来自ORNL、柏林亥姆霍兹中心、柏林工业大学、劳厄·郎之万（Laue-Langevin）研究所、牛津大学和亚当·密茨凯维奇（Adam Mickiewicz）大学的研究人员--使用中子散射实验和计算模拟的组合测试了三种纠缠见证。纠缠见证是作为数据分析工具的技术，用于确定哪些自旋跨越了经典和量子领域之间的门槛。

纠缠见证者

约翰·斯图尔特·贝尔（John Stewart Bell）

由约翰·斯图尔特·贝尔（John Stewart Bell）在20世纪60年代首次提出，纠缠见证者证实了被其他科学家质疑的量子理论是正确的。贝尔的技术依赖于一次检测一对粒子，但这种方法对研究由数万亿和数万亿粒子组成的固体材料没有用。通过使用新的纠缠见证者瞄准和检测大量的纠缠自旋集合，研究小组将这一概念扩展到了固体材料的特征，并研究超导体和量子磁体中的奇异行为。

为了确保这些“证人”可以被信任，研究小组将所有三个可用来证明的材料应用于他们知道是纠缠的材料，因为之前的自旋动力学研究。其中两个基于贝尔方法的证明充分表明了这个一维自旋链中纠缠的存在--这是一条相邻自旋的直线，在不考虑其他粒子的情况下与它们的邻居交流--但是第三个基于量子信息理论的材料在同一任务中表现得异常出色。

“量子费希尔信息，或QFI，见证了理论和实验之间的密切重叠，这使得它成为量化纠缠的一种强大而可靠的方式。”ORNL的博士后研究助理和该团队发表在《物理评论B》（Physical Review B）上的概念验证论文的主要作者

说。

因为材料中看似量子性质的波动可能是由随机热运动引起的，而随机热运动只有在温度尺度上的绝对零度时才会消失，大多数现代方法无法区分这些假警报和实际的量子活动。该团队不仅证实了理论上的预测，即纠缠随着温度的降低而增加，而且还成功地区分了经典和量子活动，这是自2016年该技术被提出以来最全面的QFI演示的一部分。

“最有趣的材料充满了量子纠缠，但那些恰恰是最难计算的材料，”ORNL中子散射科学家艾伦·坦南特（Alan Tennant）说，他领导着一个专注于量子科学中心的项目，即QSC，一个总部设在ORNL的能源部国家量子信息科学研究中心。

推进量子领域发展

以前，快速识别量子材料的挑战给该中心的任务带来了重大障碍，该中心涉及利用纠缠来开发新型设备和传感器，同时推进量子信息科学领域的发展。通过QFI简化这一过程，QSC的研究人员可以专注于利用物质的力量，如称为量子自旋液体的稀有物质相和称为超导体的不抗电的材料，用于数据存储和计算应用。

“QFI的力量来自于它与量子计量学的联系，在量子计量学中，科学家们将多个准粒子纠缠在一起，以缩小不确定性并获得极其精确的测量，”Scheie表示。“QFI见证者通过使用现有测量的精度来确定每个自旋纠缠的粒子的最小数量，从而逆转了这种方法。这是一种揭示量子相互作用的强大方式，这意味着QFI真正适用于任何量子磁性材料。”

在确定QFI可以正确地对材料进行分类之后，研究小组测试了第二个一维自旋链，这是一种具有各向异性的更复杂的材料，这是一种导致自旋位于一个平面而不是随机旋转的特性。研究人员对自旋链施加了一个磁场，并观察到一个纠缠过渡，其中纠缠量在重新出现之前下降到零。他们在《物理评论快报》（Physical Review Letters）上发表了这一发现。

研究自旋链

为了实现这些结果，研究人员使用中子散射研究了自旋链，然后分析了几十年前在英国此设施介绍和法国劳厄·郎之万研究所进行的实验的遗留数据，以及来自散裂中子源的宽角度范围直升机分光计的新数据，该中子源是美国能源部科学办公室的用户，由美国营运科学实验室 ORNL 提供。他们还进行了互补的模拟，以验证理想化的理论数据的结果。

坦南特将中子描述为“简单而美丽”，由于中子的中性电荷和非破坏性，它是探测材料性质的理想工具。

坦南特说:“通过研究从样品中散射的中子的分布，从而传递能量，我们能够使用中子作为测量量子纠缠的标准，而不依赖于理论，也不需要大规模的量子计算机，但目前还不存在。”

量子纠缠本质的答案

该团队称，这种先进的计算和实验资源的结合，提供了量子力学创始人最初提出的关于量子纠缠本质的答案。Scheie预计，QFI计算很可能成为中子散射实验的标准程序的一部分，而中子散射实验最终甚至可以描述最神秘的量子材料。

研究人员得到了美国能源部科学办公室、美国能源部通过高级计算项目的科学发现项目、QSC、ORNL实验室指导研究和发展项目、纳米相材料科学中心——位于ORNL的美国能源部科学办公室用户设施——以及欧盟地平线2020研究和创新计划下的欧洲研究理事会。