物理學家發現一種全新類型的量子糾纏

【2023年01月25日訊】(記者林達編譯報導)美國布魯克海文國家實驗室(BNL)的物理學家發現了一種全新類型的量子糾纏,這種幽靈般的現象可在任何距離上捆綁一對粒子。新發現稱,量子糾纏並不限於完全相同的兩個微觀粒子之間,也可以發生在兩個不同的粒子之間。在粒子對撞機實驗中,新類型的量子糾纏讓科學家能觀察到原子核內部的更多細節,也可能帶來其它新的科技。

成對粒子的量子態相互糾纏在一起,以至於無論相距多遠,都無法獨立地描述其中的任何一個。更奇怪的是,改變一個粒子會立即引發另一個粒子的改變,即便另一個在宇宙的另一端。這個被稱為量子糾纏的概念簡直不可思議,因為我們人類本身處於經典物理學領域。就連愛因斯坦也會對此感到不安,稱其為「幽靈般的超距作用」。然而,幾十年的實驗一直在支持它,它構成了量子計算機和量子網絡等新興技術的基礎。

通常,量子糾纏是在本質上相同的光子對或電子對之間進行的。但現在,布魯克海文國家實驗室的研究團隊首次檢測到量子糾纏發生在不同的粒子對。

這一發現是在布魯克海文實驗室的相對論重離子對撞機(RHIC)上做出的,並發表於1月4日的《科學進展》(Science Advances)上。對撞機通過加速和粉碎金離子來探測早期宇宙中的物質形式。但團隊發現,即使離子沒有發生碰撞,也可以從中學到很多東西。

加速的金離子被小的光子雲包圍,當兩個離子彼此靠近時,一個離子周圍的光子可以捕獲另一個離子內部結構的圖像,而且比以前觀測到的更為詳細。光是這一點就足以讓物理學家著迷,不過這其實要歸功於新發現的量子糾纏形式。

光子與每個金離子核內的基本粒子相互作用,引發級聯反應,最終產生一對稱為π介子的粒子,一正一負。粒子也可以被描述為波的形式,在這種情況下,來自兩個負π介子的波相互增強,而來自兩個正π介子的波也相互增強。這導致只有一個正π介子和一個負π介子波函數撞擊探測器。

研究者稱,這表明每對正負π介子相互糾纏在一起,即處於量子糾纏態。團隊表示,如果不是這樣,撞擊探測器的波函數將是完全隨機的。因此,這是首次檢測到不同粒子之間的量子糾纏。

「我們測量了兩個被輸出的粒子,很明顯其電荷是不同的——也就是說這是電荷一正一負兩個不同的粒子——表明這些粒子相互糾纏或同步,即使它們是可區分的粒子,」該研究的作者之一許長補(Zhangbu Xu,音譯)博士說。

隨著我們對量子物理學的理解不斷擴展,這一發現可能會帶來新的技術,例如該團隊用來觀察金離子核內部的新方法等。◇

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