看見愛因斯坦的「鬼魅般的超距作用」

在量子物理的諸多奇異現象中，糾纏或許是其中最不可思議的。它描述的是兩個相距甚遠的物體，以一種藐視經典物理、違背現實常識的方式交織在一起：如果你在一個地方對其中一個物體進行觀察，另一個物體哪怕在光年之外也能立刻改變自身的屬性，這二者之間彷彿是通過了某種神秘渠道得以緊密相連。1935年，愛因斯坦表達了他對這個概念的懷疑，並將其稱之為「鬼魅般的超距作用」。

現如今，糾纏被認為是量子力學的基石，也是許多潛在量子技術的關鍵之所在。但是，量子糾纏非常的脆弱。之前，科學家只在光子或原子等微觀系統中觀測到過這一現象。若想要在更大尺度的物體上展示糾纏現象，還存在一些挑戰。

大小很重要

在開始談論這些問題之前，我們需要更多地介紹一點量子物理。量子物理學通常被定義為「極小」的物理學，它的研究對象往往是原子、電子和光子等微小粒子。在量子物理學中，物體的大小真的很重要嗎？委婉地說——算是吧。但事實上，在量子力學的表述中並沒有任何內容規定了它只能適用於非常小的物體。

決定一個物體在運行時會遵循量子物理學中奇怪的規則，還是經典物理學中熟悉的定律，究竟靠的是什麼？其實，若要觀測到物體的量子行為，需要有兩個前提條件。

第一個條件是孤立。外在的世界充斥著來自其他物質和輻射的干擾。如果能找到一種方式將物體與外界隔開，它就能根據量子力學的簡單規則進行演化。一個無法將自己與干擾隔絕開的物體，很難獲得量子力學的那些豐富特性，它的運動也只能遵循我們熟悉的經典物理學定律。

第二個要素是頻率，即一個受限物體振動的頻率。量子行為的出現通常要求與物體有關的能量（跟物體振動頻率有關）超過與物體環境相關的能量（跟物體溫度有關）。

對於第一個條件來說，即使一個物體已經很好地與其環境分隔，但仍然難以做到絕對的孤立。就拿光來說，光子會與其他光子之間發生弱相互作用，所以如果我們考慮光在接近真空的環境中傳播，那麼就能算得上一個很好的孤立系統。也就滿足了第一個條件。

頻率又會有怎樣的影響呢？與可見光相關的電場和磁場能以每秒6×1014次左右的頻率振動。在這種情況下，光子的能量遠遠超過了環境中可能存在的熱能量。因此，極小的物體更有可能獲取觀測量子現象所需的條件。

尺度增大的實驗物

如果不再停留在微觀粒子尺度，而是上調至宏觀物體，我們還能觀測到物體表現出的量子行為嗎？答案是肯定的——在最近的一項新研究中，科學家就成功的在幾乎肉眼可見的設備中觀測到了糾纏現象。

在4月25日《自然》雜誌刊登的一篇論文中，芬蘭阿爾託大學的 Mika Sillanp?? 教授領導的研究小組已經證明，大質量物體間的糾纏是可被生成並檢測的。

在實驗中，研究人員設置了兩個由金屬鋁製成的微型振動圓形薄膜，它們就如同兩個鼓面一樣，每個含有約1012個原子。兩個振動的鼓面通過超導電路而進行相互作用，電路中的電磁場會吸收環境中的所有熱干擾，只留下量子機械振動，從而將鼓面的運動轉變為糾纏的量子態。與原子尺度相比，實驗中用到的鼓面是真正意義上巨大且宏觀的：它們的直徑約為15微米，與人類頭髮絲的粗細相當。

消除所有形式的噪音和干擾對實驗來說至關重要，因此實驗必須在接近絕對零度（-273°C）的極低溫度下進行。值得一提的是，這種實驗方法能讓糾纏態持續很長一段時間，在這種情況下可以長達半小時。

意義何在？

科學家為什麼要進行如此具有挑戰性的測量呢？

從基礎理論的角度來看，這一實驗結果可被用於研究基礎物理學，例如仍不勝明朗的引力與量子力學之間的相互關係問題。並且，它給了我們莫大的信心——確定了量子物理的確可以適用於更大尺度的物體。但我們無法知道，隨著實驗中物體的質量與大小持續增加，這一結論能否繼續成立？或許有一天我們會找到答案。

從應用的角度來看，研究成果擴展了糾纏系統的範圍，對量子信息處理、精確測量、以及量子力學極限的測試都具有深遠的影響。它表明了現在我們已經可以控制能產生奇異量子態的宏觀機械物體。這一成果為新型量子技術和量子感測器開啟了一片新的天地，雖然還很難預測這樣的研究最終能帶來怎樣的結果，但很顯然的是，大質量量子系統的時代已經來臨。

參考鏈接：

[2] https://theconversation.com/experiment-shows-einsteins-quantum-spooky-action-approaches-the-human-scale-95372

[3] https://www.eurekalert.org/multimedia/pub/168510.php

喜歡這篇文章嗎？立刻分享出去讓更多人知道吧！