关键证人帮助科学家探测到固体材料中“幽灵般的”量子纠缠

一种物质的自旋，被描绘成红色的球体，被散射的中子探测。应用纠缠见证，如图中的QFI计算，使中子形成一种量子量规。这个测量仪允许研究人员区分经典和量子自旋涨落。资料来源:美国能源部，内森·阿米斯特德/橡树岭国家实验室

当两个粒子似乎在没有物理连接的情况下进行交流时，就会发生量子纠缠，阿尔伯特·爱因斯坦(Albert Einstein)著名地称这种现象为“幽灵般的远距离作用”。近90年后，美国能源部橡树岭国家实验室(Oak Ridge National Laboratory)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磁性粒子或自旋之间存在纠缠。

该团队包括来自橡树岭国家实验室、柏林Helmholtz-Zentrum、柏林技术大学、劳恩-朗之万研究所、牛津大学和Adam Mickiewicz大学的研究人员，他们使用中子散射实验和计算模拟相结合的方法测试了三个纠缠目击者。纠缠见证技术是一种数据分析工具，用来确定哪些自旋跨越了经典领域和量子领域之间的界限。

20世纪60年代由约翰·斯图尔特·贝尔首次提出，量子纠缠目击证人证实了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探测一对粒子，但这种方法对研究由数万亿粒子组成的固体材料没有用处。通过瞄准和检测大量的纠缠自旋，利用新的纠缠目击者，该团队将这个概念扩展到固体材料的特征和研究超导体和量子磁体的奇异行为。

为了确保目击者是可信的，研究小组将这三种粒子都应用到一种材料上，因为之前的自旋动力学研究，他们知道这种材料是纠缠的。其中两个基于贝尔的方法，充分表明了一维自旋链中存在纠缠——这是一条相邻自旋的直线，在忽略其他粒子的情况下与相邻自旋相互通信——但第三个，基于量子信息理论，在同样的任务上表现得非常好。

”费舍尔量子信息,或QFI,见证了密切的理论和实验之间的重叠,这使得它健壮和可靠的方式量化纠缠,”艾伦Scheie说ORNL博士后研究助理,一个团队的概念篇论文的第一作者发表在《物理评论B。

因为在一种材料中，在本质上似乎是量子的波动可能是由随机热运动引起的，而热运动只在温标上的绝对零度时消失，大多数现代方法无法区分这些错误的警报和实际的量子活动。该团队不仅证实了量子纠缠随着温度降低而增加的理论预测，而且成功区分了经典和量子活性，这是自2016年该技术提出以来最全面的QFI演示的一部分。

“最有趣的材料是充满量子纠缠的材料，但这些恰恰是最难计算的材料，”ORNL的中子散射科学家Alan Tennant说。他为总部设在ORNL的美国能源部国家量子信息科学研究中心量子科学中心(QSC)领导了一个专注于量子磁体的项目。

此前，快速识别量子材料的挑战是该中心任务的一个重要障碍，该任务涉及利用纠缠来开发新的设备和传感器，同时推进量子信息科学领域。QFI简化了这一过程，使得QSC的研究人员可以专注于利用物质的能量，比如被称为量子自旋液体的稀有物质相，以及被称为超导体的不耐电的材料，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，科学家们纠缠多个准粒子，以缩小不确定性，并获得极其精确的测量。”“QFI的目击者利用现有测量的精确度来确定每个自旋纠缠的最小粒子数，从而推翻了这一方法。这是揭示量子相互作用的一种有力方式，这意味着QFI真的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，该团队测试了第二个一维自旋链，这是一种更复杂的具有各向异性的材料，这种特性使自旋位于一个平面上，而不是随机旋转。研究人员对自旋链施加一个磁场，观察到一个纠缠跃进，其中的纠缠量在重新出现之前降为零。他们在《物理评论快报》上发表了这一发现。

为了达到这些结果，研究人员使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中子源和法国劳伊朗之万研究所进行的实验遗留数据，以及来自位于散裂中子源的广角范围斩波光谱仪的新数据，一个由ORNL运营的能源部科学办公室用户设施。他们还对理想化的理论数据进行了补充模拟，以验证结果。

坦南特将中子描述为“简单而美丽”，由于中子的中性电荷和非破坏性，它是探测材料性质的理想工具。

坦南特说:“通过研究从样品中散射的中子的分布，从而传递能量，我们能够使用中子作为测量量子纠缠的标准，而不依赖于理论，也不需要大规模的量子计算机，但目前还不存在。”

该团队称，这种先进的计算和实验资源的结合，提供了量子力学创始人最初提出的关于量子纠缠本质的答案。Scheie预计，QFI计算很可能成为中子散射实验的标准程序的一部分，而中子散射实验最终甚至可以描述最神秘的量子材料。