量子糾纏不再神秘！實(shí)驗(yàn)室突破，讓固體材料里的‘幽靈’現(xiàn)出原形

量子糾纏，這個讓愛因斯坦終其一生都感到不安的現(xiàn)象，長期以來只能在精心設(shè)計(jì)的實(shí)驗(yàn)室環(huán)境中、對極少數(shù)粒子進(jìn)行驗(yàn)證。

現(xiàn)在，這道墻被打破了。

洛斯阿拉莫斯國家實(shí)驗(yàn)室的物理學(xué)家艾倫·謝伊帶領(lǐng)團(tuán)隊(duì)，開發(fā)出一種能夠直接測量真實(shí)固體材料內(nèi)部量子糾纏的新方法，并在2026年美國物理學(xué)會全球物理峰會上正式發(fā)布這一成果。更關(guān)鍵的是，這套方法在雜亂、不純凈的現(xiàn)實(shí)材料中同樣有效。"我們發(fā)現(xiàn)它百分之百有效，"謝伊直接說道。

要理解這個突破意味著什么，得先弄清楚為什么量子糾纏在固體材料里那么難測量。

量子糾纏，簡單來說，就是兩個或多個粒子之間存在一種超越經(jīng)典物理的神秘關(guān)聯(lián)：無論相距多遠(yuǎn)，對其中一個粒子的測量會瞬間影響另一個粒子的狀態(tài)。在量子計(jì)算、量子通信領(lǐng)域，糾纏是最核心的資源，是一切量子優(yōu)勢的來源。

但問題在于，傳統(tǒng)的糾纏測量方法，比如貝爾測試，是專門為少數(shù)孤立粒子設(shè)計(jì)的。當(dāng)你面對的是一塊固體材料，里面有數(shù)萬億個相互碰撞、彼此影響的原子，這些方法立刻就失效了。材料是雜亂的、有缺陷的、有噪音的，而量子效應(yīng)卻極其微弱而脆弱，兩者簡直是天生的死對頭。

過去幾十年里，理論物理學(xué)家已經(jīng)預(yù)測，很多有趣的量子材料，例如量子自旋液體、拓?fù)浣^緣體，以及各類磁性晶體，其內(nèi)部的粒子應(yīng)該存在大量糾纏。但"應(yīng)該存在"和"能夠測量"之間，始終橫亙著一道巨大的技術(shù)鴻溝。

謝伊團(tuán)隊(duì)的解決方案，來自一個出乎意料的方向：他們沒有發(fā)明新的實(shí)驗(yàn)裝置，而是給一項(xiàng)存在了將近70年的技術(shù)裝上了全新的數(shù)學(xué)大腦。

這項(xiàng)技術(shù)就是中子散射。自20世紀(jì)50年代以來，科學(xué)家就在用它研究材料的微觀結(jié)構(gòu)，原理很簡單：向材料發(fā)射中子束，觀察中子被彈開的方式，從散射的角度和能量里反推出材料內(nèi)部的原子排列和量子狀態(tài)。這是一把經(jīng)典的探針，用起來得心應(yīng)手，但從沒有人用它來直接量化糾纏。

謝伊團(tuán)隊(duì)的關(guān)鍵一步，是把中子散射數(shù)據(jù)與一個名為"量子費(fèi)舍爾信息"的數(shù)學(xué)量結(jié)合起來。量子費(fèi)舍爾信息，簡稱QFI，是一個能夠充當(dāng)"糾纏度量儀"的數(shù)學(xué)工具：它不需要追蹤每一個粒子的狀態(tài)，而是通過分析整體信號，告訴科學(xué)家至少需要有多少粒子處于糾纏狀態(tài)，才能產(chǎn)生觀測到的這些數(shù)據(jù)。

這個思路本身并不全新，早期研究已經(jīng)提出QFI可以作為糾纏的指示器，但一直缺少清晰、可操作的實(shí)驗(yàn)實(shí)現(xiàn)路徑。謝伊團(tuán)隊(duì)的工作，正是將理論構(gòu)想轉(zhuǎn)化為了實(shí)驗(yàn)室里真實(shí)可用的工具，補(bǔ)上了這最后一塊拼圖。

為了驗(yàn)證方法的可靠性，研究團(tuán)隊(duì)選擇了一種由鉀、銅和氟組成的磁性晶體作為測試對象，這種材料已經(jīng)有成熟的理論模型和精確的數(shù)值模擬結(jié)果。實(shí)驗(yàn)測量出的QFI曲線，與理論預(yù)測曲線高度吻合。密蘇里大學(xué)助理教授龐圖斯·勞雷爾評價說，兩條曲線之間的吻合程度"非常令人信服"。

這一結(jié)果意味著，這套方法不僅在理想條件下可行，在存在雜質(zhì)和結(jié)構(gòu)缺陷的真實(shí)材料中同樣穩(wěn)健可靠。

這個"百分之百有效"，分量很重。

研究人員下一步計(jì)劃將目光對準(zhǔn)量子相變的臨界區(qū)域，也就是材料在量子效應(yīng)驅(qū)動下突然改變狀態(tài)的那個臨界點(diǎn)，類似于水結(jié)冰的過程，但驅(qū)動力是純粹的量子漲落。理論預(yù)測在這些臨界點(diǎn)附近，量子糾纏會急劇放大，但現(xiàn)有模型往往在這里失效。如果能直接測量這一區(qū)域的糾纏強(qiáng)度，將為量子物理的基礎(chǔ)理論提供前所未有的實(shí)驗(yàn)證據(jù)。

從更長遠(yuǎn)的眼光看，這套方法一旦在更多材料體系中得到驗(yàn)證，將成為篩選和設(shè)計(jì)量子計(jì)算硬件的核心工具。哪些材料具備足夠強(qiáng)的糾纏，可以支撐穩(wěn)定的量子比特？哪些材料在高溫下還能維持量子相干性？這些問題的答案，過去只能靠理論猜測，現(xiàn)在終于有了直接檢驗(yàn)的手段。

量子糾纏，這個愛因斯坦稱之為"鬼魅般的超距作用"的現(xiàn)象，正在從哲學(xué)爭論走向工程現(xiàn)實(shí)。