当量子纠缠初次邂逅超导

涨知识 老郝 来源:spectrum 161浏览 0评论

量子应用技术中的两大神秘领域最近在休斯敦莱斯大学实验室中建立起了沟通的桥梁。量子纠缠——量子计算的关键——量子临界——高温超导体的基础——现已在一场实验中邂逅彼此。

初步结果表明,在这两种不可或缺但之前又无甚交集的技术背后,存在着一种更接近物理本质的东西。那么,我们难以自禁地去想像一个未来,在这种未来中,可能会发展出大一统的纠缠/超导理论,把其中一个领域的突破转化为另一个领域的革新。

维也纳科技大学的研究人员制造出一种金属薄膜(镱、铑和硅元素组成)。然后,莱斯大学的团队开始分析其特性。

他们使其表现出“量子临界”行为的同时,又观察到,其上数十亿电子之间广泛存在着量子纠缠态。

“通常制造量子比特,也就一、两个;”莱斯大学量子材料中心主任 Qimiao Si 教授说,“如果弄出十个,那就是个很大的数字了。总的来说,前景诱人,有如此多的电子陷入纠缠态,它们有可能成为量子工程的重要资源。”

实验观察到的量子临界状态与量子纠缠,是独立且截然不同的,这要归功于金属薄膜的成分。Si教授表示,他们团队依据先前的研究确定了金属膜具有零净磁场,但这只是因为其上的电子逐个对齐,彼此相对。这种“反铁磁”行为是其量子临界状态的标志。

Si和同事将金属膜冷却至接近绝对零度,观察其对一系列太赫兹辐射束的响应。尽管只有少于的0.1%射线束引起了反应,但研究人员发现,如果把多个小时的观察结果整合到一起,就可以拼凑出微弱信号的全貌。

当他们在各种温度和太赫兹频率下的比较弱信号时,发现太赫兹辐射探测到电子之间的整体行为,包括样品温度和辐射频率之间的比例关系——表明金属膜中的电子存在量子同步。

量子计算机科学家看到,纠缠不是在数十个或几百个粒子中产生的,而是在数百万或数十亿个粒子中产生的,它们可能倾向于变态。另一方面,让所有的超导研究人员明白,在明显存在量子纠缠的情况下,也可能引发量子临界的条件,他们或许想知道得更多。

“花了很长时间才证明这种量子临界性会以一种避无可避的方式涉及量子纠缠。基础研究有可能为高温超导提供设计原理。”

研究发表在最近一期的《科学》上。

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