導語：原子和粒子的量子世界非常奇異，無論是量子隧穿跨越勢壘，還是其同一時刻呈現的兩態性，都無時無刻不在凸顯著這一點。然而量子力學的奇特屬性並不是科學家們的無端臆測——它們是經過實驗反覆觀察後確定的真實結果。而且最新的科學實驗又在這一神奇的領域取得突破！

量子力學最具標誌性的特徵之一就是「量子糾纏」——這就是無論彼此距離多遠的粒子之間總會有的一種神秘連接。

現在，科學家已經不僅僅滿足於研究一對粒子的糾纏了。近日，三個獨立的歐洲研究小組已經成功分離出了包含數千個原子的量子云。而且，他們還找到了一種發掘其技術潛力、開發實際應用的方法。

何為量子糾纏？

當粒子糾纏在一起時，即使它們之間相隔得很遠，也能以一種相互依賴的方式共享屬性。因此，愛因斯坦把糾纏稱為「大自然的鬼斧神工」，因為糾纏對其中的一個粒子瞬間影響到它的「雙胞胎」粒子——無論距離有多遠。

雖然糾纏聽起來像是天方夜譚，但其實早在多年前它就已經被實驗證明了。

糾纏在實際應用方面具有很大的潛力——以這種方式連接的粒子可以快速轉換量子態；它們還可以幫助將大量信息存儲在給定的容量中（即超密集編碼）。

除了在存儲容量發方面的貢獻之外，糾纏還可以幫助鏈接、結合全球不同地區的系統的計算能力。

顯而易見，糾纏確實是量子計算的一個關鍵方面。

另一個有前途的方向是真正安全通信。這是因為任何意圖干涉含有糾纏粒子的系統的嘗試都會立即破壞糾纏，使得信息立刻改寫，這就確保了信息不會泄露。

此外，糾纏光子也可以用來提高成像技術的解析度。滑鐵盧大學的研究人員目前正希望憑藉此技術開發一種能夠檢測隱形飛機的量子雷達。

然而，想要開發基於糾纏技術是很困難的。這是因為糾纏是一個非常脆弱、易逝的現象。糾纏實驗通常只會產生單個粒子對。然而，單個粒子難以準確檢測，並且它們還經常會在背景雜訊的干擾下丟失或模糊。

因此，想要在糾纏狀態下製造它們，以所需的方式操縱它們，成功使用它們，無比艱巨。

大規模量子云實驗取得成功

以下就是這項在《科學》雜誌上都發表了三篇論文的新研究取得的重大突破——分解量子云。

研究人員並沒有採用單個顆粒、一次纏住一顆顆粒的方法，而是選擇用一種由數千個原子組成的超冷氣體來進行試驗。它們被冷卻到了近乎絕對零度。這樣，當被限制在一個小體積中時，這一小片量子云中的原子就變得難以區分，形成一種稱為玻色 - 愛因斯坦凝聚體的新物質狀態。

圖| 計算機模擬的玻色 - 愛因斯坦凝聚體

這個量子云中的原子是以集體形式呈現的——它們已經糾纏在了一起。其實早在1995年，就有科學家首次發現了這種物質狀態，並於2001年獲得了諾貝爾物理學獎。儘管這之後人們已經知道數千個原子可以同時糾纏繞，但是在這項研究之前還沒有人能實際證明這一現象。

主持這項新研究的研究人員告訴記者說，他們還可以將這些雲分成幾組，並保持原子內部的量子聯繫。他們是通過從有限空間釋放原子，使用激光將其分開，並測量雲的擴展部分屬性來實現這一點的。

他們推測，這種新開發的方法將來可以擴展到允許獨立使用雲中的每個原子——如果真的能做到這一點，那麼量子計算的效益將達到一個前所未有的高度。

在數字計算中，信息被處理為1和0，即二進位數字（或位）。量子計算中的類似術語稱為量子比特。

當前在離子（帶電原子）的糾纏態中生成量子比特的最高記錄僅為20，因此本次研究中，在量子云中同時生成數千個量子比特將是一個巨大的進步。

另一個將從這一突破中受益的領域是計量學，即超精密測量的科學。當兩個粒子或系統之間建立糾纏時，其一半的測量值會用來顯示另一個粒子的信息。這就能允許使用者以更高的靈敏度來測量參數。例如，以這種方式使用糾纏可以提高原子鐘的精度，並且可以提高全球定位系統（GPS）的精度。

未來的世界中，量子計算必將留下濃墨重彩的一筆。重視利用量子效應，如糾纏，我們就可以開發超越現有任何技術的新技術。

編輯 | 褚茗帆

審校 | 楊子彤 Soybean

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