單個光子糾纏3000個原子有望制造更快量子計算機

　　美國麻省理工學院和貝爾格萊德大學的物理學家開發出一種新技術，使用單個光子成功實現了與3000個原子的糾纏，創下了迄今為止粒子糾纏數量的新紀錄。該技術為創建更復雜的糾纏態奠定了基礎，未來有望借此制造出運算速度更快的量子計算機和更精確的原子鐘。相關論文發表在今天出版的《自然》雜志上。

　　論文第一作者、麻省理工學院物理學教授弗拉丹·盧勒狄克說：“或許你會說單個光子不可能改變3000個原子的狀態，但是在新的實驗中這個光子的確做到了這一點，這在以前從未有過。我們開辟了一種新的糾纏態類別。”

　　量子糾纏是一種奇特現象，理論上是指粒子在兩個或兩個以上粒子組成的系統中相互影響的現象，即使相距遙遠，一個粒子的行為也會影響另一個的狀態。比如兩個原子組成的糾纏系統中，如果一個原子在某種力量的作用下發生順時針旋轉，另一個則會立即逆時針旋轉，即便兩個原子的物理距離相隔數千公里。科學家們一直在尋求方法讓大量的原子實現糾纏，為功能強大的量子計算和精確的原子鐘奠定基礎。

　　如今最好的原子鐘基于原子的自然振動。由于原子的振蕩，它們會和鐘擺一樣保持穩定的時間。原子鐘中的激光可以檢測出原子的振動狀態，最終確定一秒鐘的長度。這種時鐘就算是從宇宙大爆炸那一刻開始工作至今，誤差也不會大于一分鐘，可以說是現今最穩定的時鐘。原子鐘的精度與參與振動的原子數量成正比。常規原子鐘精度是參與振動的原子數量平方根的倍數。因此，參與糾纏的原子數量越多，原子鐘精度就越高。

　　此前大多數量子糾纏僅限于兩個原子，只有一個科研小組成功讓100個原子實現了糾纏。盧勒狄克團隊的新研究成功實現了3000個原子相互糾纏，而這一切都由一個微弱、只含單個光子的激光脈沖引發。盧勒狄克說，光越弱越好，因為它不容易導致擾動，整個系統會處于一個相對純凈的量子態中。

　　盧勒狄克團隊研究人員首先冷卻原子云，讓這些原子被困在一個激光陷阱中，再通過云發送一個微弱的激光脈沖。而后，他們用一個特制的探測器來尋找激光束中的特定光子來促成這種獨特的糾纏態。他們目前正在使用單光子探測技術制造新的原子鐘，希望克服所謂的“標準量子極限”，在量子態測量精度上實現突破。

　　這項新研究得到了美國國家科學基金會、美國國防部高級研究計劃局和美國空軍科學研究辦公室的資助。

　　總編輯圈點

　　相較于制造出運算速度更快的量子計算機和更精確的原子鐘，量子糾纏或許在未來能讓人類實現“瞬間移動”的“鬼魅般的超距作用”，這更加令人期待。假如我人在北京，卻想去倫敦吃頓午餐，理論上量子糾纏在未來可以使之實現。雖然就目前的技術而言，我們離人體“瞬間移動”還很遙遠，但這樣的展望仍然會引發我們的深思。一個包括我自己也會困惑的問題是：倫敦那邊的我，真的是我嗎？