关键“见证”帮助美国能源部科学家检测固体材料中的“奇异 ”量子纠缠

导读：当两个粒子在没有物理联系的情况下进行“通信”时，就会出现量子纠缠，这种现象被爱因斯坦称为“远距离幽灵行动”。

当两个粒子在没有物理联系的情况下进行“通信”时，就会出现量子纠缠，这种现象被爱因斯坦称为“远距离幽灵行动”。近90年后，由美国能源部橡树岭国家实验室（ORNL）领导的一个团队证明了“量子纠缠见证”的可行性，它能够证明量子材料中的磁性粒子或自旋之间存在纠缠关系。

该团队--包括来自ORNL、柏林亥姆霍兹中心、柏林工业大学、Laue-Langevin研究所、牛津大学和波兹南密茨凯维奇大学的研究人员--使用中子散射实验和计算模拟的组合测试了三种纠缠见证。纠缠见证是作为数据分析工具的技术，用于确定哪些自旋跨越了经典和量子领域之间的门槛。

纠缠见证由约翰·斯图尔特·贝尔在20世纪60年代首次提出，证实了被其他科学家质疑的量子理论是正确的。贝尔的技术依赖于一次检测一对粒子，但这种方法对研究由数万亿和数万亿粒子组成的固体材料没有用。通过使用新的纠缠见证来瞄准和检测大量的纠缠自旋集合，该团队将这一概念扩展到表征固体材料和研究超导体和量子磁体的奇异行为。

为了确保这些“见证”可以被信任，研究小组将所有三种纠缠见证应用于他们知道是纠缠的材料，因为以前的自旋动力学研究。其中两个基于贝尔方法的纠缠见证充分表明了这个一维自旋链中纠缠的存在--这是一条相邻自旋的直线，在不考虑其他粒子的情况下与它们的“邻居”交流--但是第三个基于量子信息理论的纠缠见证在同一任务中表现得异常出色。

“量子费希尔信息，或QFI，见证了理论和实验之间的密切重叠，这使得它成为量子纠缠的一种强大而可靠的方式，”ORNL的博士后研究助理和该团队发表在《物理评论B》上的概念验证论文的主要作者Allen Scheie说。

因为材料中看似量子性质的波动可能是由随机热运动引起的，而随机热运动只有在温度尺度上的绝对零度时才会消失，大多数现代方法无法区分这些错误警报和实际的量子活动。该团队不仅证实了理论上的预测，即纠缠随着温度的降低而增加，而且还成功地区分了经典和量子活动，这是自2016年该技术被提出以来最全面的QFI演示的一部分。

"最有趣的材料充满了量子纠缠，但那些恰恰是最难计算的材料，"ORNL中子散射科学家Alan Tennant说，他领导着一个专注于量子科学中心的项目，即QSC，这是一个总部设在ORNL的DOE国家量子信息科学研究中心。

以前，快速识别量子材料的挑战给该中心的任务带来了重大障碍，该中心涉及利用纠缠来开发新型设备和传感器，同时推进量子信息科学领域的发展。通过QFI简化这一过程，QSC的研究人员可以专注于利用物质的力量，如称为量子自旋液体的稀有物质相和称为超导体的不抗电的材料，用于数据存储和计算应用。

Scheie说：“QFI的力量来自于它与量子计量学的联系，在量子计量学中，科学家将多个准粒子纠缠在一起，以缩小不确定性并获得极其精确的测量。QFI‘见证者’通过使用现有测量的精度来确定每个自旋纠缠的粒子的最小数量，从而逆转了这种方法。这是一种揭示量子相互作用的强大方式，这意味着QFI真正适用于任何量子磁性材料。”

在确定了QFI可以正确地对材料进行分类之后，研究小组测试了第二条一维自旋链，这是一种具有各向异性的更复杂的材料，这是一种导致自旋位于一个平面内而不是随机旋转的特性。研究人员对自旋链施加了一个磁场，并观察到一个纠缠过渡，其中纠缠量在重新出现之前下降到零。他们在《物理评论快报》上发表了这一发现。

为了取得这些结果，研究人员利用中子散射研究了这两个自旋链，然后分析了几十年前在英国ISIS中子源和法国Laue-Langevin研究所进行的实验的遗留数据，以及来自位于Spallation中子源的宽角范围斩波器光谱仪的新数据，该中子源是美国能源部科学办公室的用户设施，由ORNL运营。他们还进行了补充模拟，以对照理想化的理论数据验证结果。

中子被Tennant描述为"非常简单"，由于其中性电荷和非破坏性，它是探测材料特性的一个理想工具。Tennant说：“通过研究从样品上散射下来的中子的分布，它传递了能量，我们能够使用中子作为测量量子纠缠的标尺，而不依赖理论，也不需要目前还不存在的大规模量子计算机。”

根据该团队的说法，这种先进的计算和实验资源的结合提供了关于量子纠缠的性质的答案，最初是由量子力学的创始人提出的。Scheie预计，QFI计算有可能成为中子散射实验的标准程序的一部分，这些实验最终可以描述甚至是最神秘的量子材料的特征。