Paul Klimov，芝加哥大学研究所分子工程学院的研究生，他正在实验中调整激光束的强度。因为激光在于红外光谱内，所以人类的肉眼看不到激光。图片来源：芝加哥大学
纠缠是一种由量子力学预言的最奇怪的现象之一，这一理论也是大部分现代物理学的基础。它表明两个粒子可以被如此紧密相连，以至于一个粒子的状态可以瞬间影响到另一个粒子的状态，无论它们相距多远。
就在一个多世纪前，纠缠还处在激烈的理论争论的中心，让像Albert Einstein（艾伯特·爱因斯坦）这样的科学家们百思不得其解。然而今天，纠缠被公认成为自然界的事实，并且正在被积极探索成为未来技术的一种资源， 例如量子计算机，量子通讯网络以及高精度的量子传感器。
纠缠也是自然界最难以捉摸的现象之一。粒子之间发生纠缠要求它们初始处在高度有序状态，而这是不利于热力学的，这一过程控制热能和其它形式能量之间的相互作用。当尝试在宏观尺度上，在庞大数量的粒子间实现纠缠时，这就带来了一个特别艰巨的挑战。
“我们正在使用的宏观世界看似很整齐，但在原子尺度上却是完全无序的。热力学定律通常阻止我们从宏观物体中观测量子现象，”Paul Klimov（保罗·克里莫夫）表示，他是芝加哥大学分子工程研究所的一名研究生，同时也是量子纠缠的新研究的主要作者。该研究所是芝加哥大学和 Argonne国家实验室的合作伙伴。
在此之前，科学家已经克服热力学障碍，并通过超低温（-270摄氏度）和施加巨大磁场（比典型的电冰箱磁体大1000倍）或使用化学反应，从而在固体和液体中实现量子纠缠。在11月20日发行的Science Advances（《科学》杂志子刊）中，Klimov和分子工程学院DavidAwschalom组的其他研究人员已经证明，可在室温下小型磁场产生宏观纠缠。
研究人员使用红外激光来对成千上万的电子和原子核的磁状态进行排序（优先排成一行），然后用电磁脉冲（指类似于那些用于常规磁共振成像即MRI的电磁脉 冲）来使它们产生纠缠。这个过程导致在半导体的SiC一个宏观40微米立方体积（红细胞的体积）中的电子和原子核对实现纠缠。
“我们知道，与半导体缺陷相关联的原子核自旋态在室温下具有优异的量子特性，”分子工程的Liew Family Professor同时也是Argonne国家实验室的资深科学家Awschalom说，“它们是相干的、长寿命的、光子和电子可控的。考虑到这些量子 ‘块’，创造纠缠的量子态似乎是一个可以达到的目标。”
除了作为基本的物理兴趣外，“在室温条件下的电子级半导体产生强大的纠缠能力对未来量子器件具有重要意义，”Awschalom表示。
在短期内，这里使用的与先进的碳化硅器件的制造协议所允许的精密设备相结合的技术，可能使得量子传感器使用纠缠作为一种打破传统（非量子）传感器的灵敏度 限制的资源。鉴于纠缠在外界环境条件下工作和SiC是生物友好的事实，一个特别令人兴奋的应用是生物体内的生物传感。
“我们很兴奋纠缠增强磁共振成像探针，它可能有重要的生物医学应用，”IBM的Thomas J. Watson研究中心的Abram Falk和研究报告的共同作者这样说道。
从长远来看，甚至可能实现从同一SiC芯片上的纠缠态到相距遥远的的SiC芯片上的纠缠态。这种转变可以通过允许宏观量子态而非单量子态（在单原子中）相互之间产生强烈关联的物理现象所促进，这对于以高成功率制造纠缠是非常重要的。这种远距离的纠缠态已经被提议用于同步的全球定位卫星和以根据物理定律从根本上防窃听的方式来传递信息。
原文网址：http://phys.org/news/2015-11-quantum-entanglement-room-temperature-semiconductor.html
翻译：秦娜
留言