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单个光子“纠缠”3000个原子

导读: 美国麻省理工学院和贝尔格莱德大学的物理学家开发出一种新技术,使用单个光子成功实现了与3000个原子的纠缠,创下了迄今为止粒子纠缠数量的新纪录。

  美国麻省理工学院和贝尔格莱德大学的物理学家开发出一种新技术,使用单个光子成功实现了与3000个原子的纠缠,创下了迄今为止粒子纠缠数量的新纪录。该技术为创建更复杂的纠缠态奠定了基础,未来有望借此制造出运算速度更快的量子计算机和更精确的原子钟。相关论文发表在今天出版的《自然》杂志上。

  论文第一作者、麻省理工学院物理学教授弗拉丹·卢勒狄克说:“或许你会说单个光子不可能改变3000个原子的状态,但是在新的实验中这个光子的确做到了这一点,这在以前从未有过。我们开辟了一种新的纠缠态类别。”

  量子纠缠是一种奇特现象,理论上是指粒子在两个或两个以上粒子组成的系统中相互影响的现象,即使相距遥远,一个粒子的行为也会影响另一个的状态。比如两个原子组成的纠缠系统中,如果一个原子在某种力量的作用下发生顺时针旋转,另一个则会立即逆时针旋转,即便两个原子的物理距离相隔数千公里。科学家们一直在寻求方法让大量的原子实现纠缠,为功能强大的量子计算和精确的原子钟奠定基础。

  如今最好的原子钟基于原子的自然振动。由于原子的振荡,它们会和钟摆一样保持稳定的时间。原子钟中的激光可以检测出原子的振动状态,最终确定一秒钟的长度。这种时钟就算是从宇宙大爆炸那一刻开始工作至今,误差也不会大于一分钟,可以说是现今最稳定的时钟。原子钟的精度与参与振动的原子数量成正比。常规原子钟精度是参与振动的原子数量平方根的倍数。因此,参与纠缠的原子数量越多,原子钟精度就越高。

  此前大多数量子纠缠仅限于两个原子,只有一个科研小组成功让100个原子实现了纠缠。卢勒狄克团队的新研究成功实现了3000个原子相互纠缠,而这一切都由一个微弱、只含单个光子的激光脉冲引发。卢勒狄克说,光越弱越好,因为它不容易导致扰动,整个系统会处于一个相对纯净的量子态中。

  卢勒狄克团队研究人员首先冷却原子云,让这些原子被困在一个激光陷阱中,再通过云发送一个微弱的激光脉冲。而后,他们用一个特制的探测器来寻找激光束中的特定光子来促成这种独特的纠缠态。他们目前正在使用单光子探测技术制造新的原子钟,希望克服所谓的“标准量子极限”,在量子态测量精度上实现突破。

  这项新研究得到了美国国家科学基金会、美国国防部高级研究计划局和美国空军科学研究办公室的资助
 

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