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“量子互动” 研究员听到两个原子在“对话”

5月28日发表于《科学》(Science)的一份研究称,捕捉到两个原子进行量子信息传递的过程。这对了解各种材料内部大量微观粒子之间如何相互作用,从而展现例如超导这样神奇的特性,或是量子比特如何存储信息等这些前沿的领域,都起到重要作用。

“量子互动” 研究员听到两个原子在“对话”对单个钛原子施加电脉冲的艺术假想图。(TU Delft/Scixel)这里所说的两个原子间使用的语言就是指各自的自旋特性,对话就是研究人员观察到两个原子如何成功地传递自旋信息。研究负责人荷兰代尔夫特理工大学(Delft University of Technology)的奥特(Sander Otte)说:“每个原子的自旋使得它们自己产生一个小的磁场。不同原子之间的自旋特性会互相影响,就像两个指南针靠近的时候所发生的情形。但是根据量子力学规律,每个原子的自旋可以同时有不同的方向,也就是处于一种叠加态。这意味着,(两个原子靠近的时候)不同的原子之间实现了量子信息传递,就像在对话一样。”研究人员把两个钛原子置于扫描隧道显微镜下进行观察。两个原子之间相隔仅百万分之一毫米的距离。以前的研究使用自旋共振改变原子的自旋方向。这份新研究认为这种方法太慢,看不到想要的效果。“一个原子的自旋还没发生改变,另一个已经跟进了。”主要研究员之一维尔德曼(Lukas Veldman)说,“用这种方法,永远看不到把两种相反的自旋方向放在一起将产生的效果。”这份研究改为使用向其中一个原子施加电击的方法快速逆转它的自旋方向,结果意外地产生量子互动的效果。“我们本来以为在这个过程中,精细的量子信息会被外来的电子干扰而失去量子相关性。”奥特说,结果却显示,这些随机的电子启动了相关的叠加态,并与另一个原子交换了信息。合作研究员特恩斯(Markus Ternes)说:“电子逆转了其中一个原子的自旋方向。但是从两个原子形成的整体系统来看,结果非同寻常。这两个原子形成完美的叠加态,并可以互换信息。产生这个效果的关键在于,两个原子形成量子纠缠状态。”研究者考虑,这份研究观测的只是两个原子之间的对话,下一步可以研究更多原子之间如何进行群组对话。“这里我们用到两个原子,如果是三个?十个或是几千个?没人可以预测到情况是怎样,这超出了现在即使是最强的电脑有能力处理的范围。也许将来有一天我们能够听到人们从未听过的量子群组对话。”

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