在日常生活中,宏观物质的行为方式是可预测可预期的,如果你扔一个球,你假设它会朝某个方向移动,并有一个可预测相互作用力。更重要的是,施加在一个物体上的力,不会对另一个独立的物体产生影响。但在量子力学中,却是完全不同的,在单量子粒子、双粒子和三粒子系统中,发生在这个地方的行为,可以强烈地影响远处的另一个量子粒子。

科学家们还没有完全了解这一点,但通过分析这些系统和更复杂系统的行为,科学家呢么希望能找到破译这些奇特现象的奥秘。冲绳科技研究生院(OIST)量子系统部的研究人员与都柏林大学学院和达勒姆大学合作者一起,模拟了其中一个系统,揭示了量子态是意想不到的(粒子在孤立系统中的排列方式)。其研究结果发表在《新物理学》期刊上,可以应用于量子技术。

研究小组的负责人托马斯·布希教授解释说:如果你把一块石头扔出船,由于动量守恒,石头朝这边扔,船就会在相反的另一边受到反作用力。在量子力学中,可以在更远的距离上有更强的关联性。这就好比如果你穿上一只红色袜子和一只绿色袜子,那么你从未见过的南极洲人也会这样做,其研究发现了具有这些非常强关联性的新状态,而且这些关联性可以很好地控制。

用两个原子做实验

当科学家研究宏观系统时,他们倾向于观察许多粒子(比如说1023个)。因为有太多的原子,不可能追随每一个原子,必须做出假设。为了避免这种情况,这项研究中的研究人员使用了另一种选择。第一作者Ayaka Usui说:我们模拟了一个只有两个原子的系统。这为更大的系统提供了一个基石,但研究人员可以控制,准确地看到正在发生的事情,而且,为了进一步控制这个系统,还考虑了超冷原子。

在室温下,粒子移动得非常快,天气越热,它们移动的速度就越快。通过使用激光冷却,这些原子可以被减速和冷却,直到它们达到几乎为零的速度,从而处于超冷状态,这使得研究人员更容易在模拟中描述它们。在这样的系统中,粒子能做的最简单事情就是相互碰撞,这迫使它们四处移动并改变方向,但粒子有一种叫做自旋的东西。粒子的自旋向上或向下指向,并进一步影响它的运动方式(即一种称为自旋)轨道耦合的效应。

当研究人员模拟具有两个自旋-轨道耦合的超冷原子系统时,这些新状态及其非常强的相关性被揭示出来。研究团队的博士后学者托马斯·福格蒂(Thomás Fogarty)博士说:系统有两个粒子,在那里会得到这些状态,而在1023个粒子的系统中,不会得到这些状态。沿着这一长串添加粒子的某个地方,这些新的状态就消失了。除了新的状态,研究还发现了准确描述这个系统的公式,所以现在,研究人员可以设计它了。

工程学上的进一步见解

通过找到这些公式,研究人员可以控制系统,现在研究人员计划改变参数来观察系统的动态。可以使用强关联来帮助测量系统,如果在其中一个系统中发现一个原子,就知道另一个原子也在那个系统中,而不需要测量它,因为它们是紧密相关的。虽然这项研究只集中在量子力学能做的一小方面,但它有很多应用。量子技术需要这些关联,这些新状态具有已知的最强非经典相关性,从而可以设计它们。

有了这项研究,可以建造更强大的计算机,可以创造出测量大脑中重力或电脉冲微小差异的测量设备,有如此多的应用,还需要更加努力的去研究。

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博科园|研究/来自:冲绳科学技术大学院大学

研究发表期刊《新物理学》

DOI: 10.1088/1367-2630/ab6576

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在日常生活中,宏观物质的行为方式是可预测可预期的,如果你扔一个球,你假设它会朝某个方向移动,并有一个可预测相互作用力。更重要的是,施加在一个物体上的力,不会对另一个独立的物体产生影响。