量子纠缠刚刚一整个变得更诡异

不只是相同的粒子能被纠缠而且甚至那些根本上有不同属性的粒子与彼此干扰。

STARTS WITH A BANG — JANUARY 18, 2023

Ethan Siegel

此图显示两个纠缠粒子的连接性。在2023年初首次证明不相同粒子之间的纠缠，一个正负л介子不仅存在，而且能被测量、施加影响和用来探测原子核的内部结构。(Credit: Augusto / Adobe Stock)

关键要点

从来发现的最奇特的量子现象之一是量子纠缠：在那里两个粒子处在一个一个粒子的属性依赖于另一个粒子的状态的存在中。

 不用确定它的在这个过程中的属性你不能测量一个量子粒子的状态，每当你这样做 “打破”这个纠缠。

对相同的粒子通常在相反电荷的粒子之间已经看到纠缠刚好被证明并且施加影响的这一属性已经向我们展示了与之前不一样的原子核。

在量子宇宙中，事物比我们的共同体验会提示非常不同的行为。在我们熟悉的宏观世界中，任何我们能测量的物体似乎都有内在的独立于是否我们观察或不观察它的属性。我们能测量质量、位置、运动、持续时间等，不必担心关于该物体是否被我们的测量影响，现实完全独立于观察者存在。但在量子世界中，这可被证明的不真的。测量一个系统的行为根本上以一种不可逆转的方式改变它的属性。

最奇怪的量子属特之一是纠缠：在那里多个量子有不确定的内在属性，但每个量子的属性并不独立于另一个。我们之前已经看到过光子、电子和各种相同粒子的这个展示，使我们能够来测试和探测现实的基本和令人惊讶的本质。事实上，2022 年诺贝尔物理学奖正是因为对这种现象的调查而颁发。

但在一项新颖的实验中，不同粒子之间的量子纠缠刚刚已经被首次证实，并且该技术以之前从未有的方式已被用于来看一个原子核。

两个纠缠粒子的描画，在空间中被隔开，每个粒子直到它们被测量之前都有不确定的属性。已经实验上确定纠缠对的两个成员没有一个以一种特定状态存在，直到一个测量发生的关键时刻为止：这是使许多现代量子技术成为可能的关键方面。(Credit: Johan Jamestad/The Royal Swedish Academy of Sciences)

原则上，量子纠缠是一个简单的来理解的想法，它被建立在量子不确定性的想法上。想象你从一顶帽子拿出一个球，有一个球有两个属性之一的50/50的机会。。

也许是颜色：球可以是黑色或白色。

也许是质量：要么你拉出一个轻的球要么拉出一个重的球。

也许它正在自旋的方向：球可能正在“向上自旋”或“向下自旋”

如果你只有一个球，你可能好奇：靠把它拉出来并检查这个球，它总是有这些属特甚至在你观察了它之前？还是球有一组不确定的参数，在那里它是一个混合的：

黑白

轻重

作为一个既上又下旋转混合的自旋

这只在你进行关键测量的那一刻被确定？

这是量子力学的关键洞察之一，正如双缝实验和斯特恩-格拉赫实验等著名实验证明的那样。两者都值得一个解释。

当第一个狭缝 （P1）、第二个狭缝 （P2） 或两个狭缝 （P12） 打开时，你看到的图案是非常不同的，具体取决于是否有一个或两个狭缝可用。(Credit: R. Bach et al., New J. Phys., 2013)

如果你拿来一个有两个细缝的屏障，当你向它发送一个波时发生什么？答案很容易：你在屏障后面得到一个波一样图案，其中穿过每个狭缝的波部分与彼此干扰，导致在另一侧上波峰和谷谷的模式。

相反，如果你向这个屏障上发送一系列粒子发生什么？答案再次是简单的：你在屏障后面得到一个类似粒子的图案，其中粒子要么穿过狭缝#1要么穿过狭缝#2，因此你在另一侧上只是得到两堆。

但在量子力学中，当你通过双狭缝发送量子粒子时，如果你不测量每个粒子通过哪个狭缝你会得到一个波一样图案，但如果你做一个测量你会得到一个粒子一样图案。甚至你一次发送一个量子这是真的，宛如它们正在与它们自己干扰一样。观察的行为------做出那个关键的测量------以及是否你做不做它决定你看到的模式。随我们观察它，现实取决于先于关键观察之前发生或不发生什么互动。

当你让一组粒子通过单个斯特恩-格拉赫磁铁时，它们将按照它们的自旋偏转。如果你让它们穿过一个第二个垂直磁铁，它们会再次在新的方向中分裂。如果你然后用一个第三个磁铁走回到第一个方向，它们将再次分裂，证明先前确定的信息是被最近的测量随机化的。(Credit: MJasK/Wikimedia Commons)

类似地，斯特恩-格拉赫实验源自让量子粒子通过一个拥有叫“自旋”的内在属性这意味着内在的角动量的磁场。这些粒子将要么偏转与场对齐要么与场反对齐：相对于场的方向向上或向下。

如果你试图偏转一个自旋已经被通过这样一个磁场确定的粒子，它不会改变：向上的粒子仍然会向上，那些向下的仍然会向下。

但如果你让它穿过一个有不同方向的磁场------在其他两个空间维度之一中------它再次分裂：左右或前后而不是向上向下。现在甚至更诡异的是，一旦你把它左右或前后分裂，如果你再次通过一个上下磁场它再次分裂一次。就好像你进行的最后一次测量抹去了之前的任何测量一样，随之存在于该维度中的任何量子态的明确确定。

量子力学的纠缠对能被比作一台向相反方向抛出相反颜色的球的机器。当鲍勃接住一个球并看到它是黑色时，他立即知道爱丽丝已经抓住了一个白色的球。在一个使用隐藏变量的理论中，球总是包含关于来显示什么颜色的隐藏信息。然而，量子力学说这些球是灰色的直到有人观察了它们为止，当时一个随机的变成白色另一个变成黑色。贝尔不等式表明有一些能区分这些情况的实验。这样的实验已经证明了量子力学的描述是正确的。(Credit: Johan Jamestad/The Royal Swedish Academy of Sciences)

这有点量子诡异性但刚好又与纠缠无关。当你有两个或多个粒子都展示一些量子不确定性但以一种被联系的方式一起展示它时纠缠参与。在一个纠缠量子系统中，一个粒子的量子态与另一个粒子的量子态共相关。单独地，每个粒子的量子态似乎是（并且被测量为）完全随机的。

但是，如果你一起拿来两个量子，你会发现在两者的组合属性之间有共相关存在：某些如果你只测量它们中的一个你不会知道的东西。你能假设

要么标准量子力学适用，

要么两个粒子的状态独立于是还是不是它们被观察存在，

并得出两种不同的预测。2022 年诺贝尔物理学奖的部分是这个的证明，当你实际上执行这些实验并测量两个量子态时你发现共相关性只与标准量子力学一致，而与两个粒子的状态独立于是否它们被观测存在的想法不一致。

实验上测量的比率R（φ）/R_0为一个偏振器的轴之间角度φ的函数。实线不是数据点的拟合，而是由量子力学预测的偏振共相关性，如此碰巧的是数据与理论预测一致到一个惊人精度，并且一种不能被两个光子之间的局部真实共相关性解释（这将造成直线的而不是曲线的预测）的。(Credit: S. Freedman, PhD Thesis/LBNL, 1972)

正是这个原因，量子纠缠经常被描述为诡异的和反直觉的。

然而，量子纠缠实验通常涉及光子：光、电磁辐射被量化成的粒子。这些纠缠光子通常被创造的方式来自单个光子通过叫一个下行转换晶体的，其中一个光子进入两个光子出来。这些光子有常规光子的所有正常属性------包括自旋、一个由它的能量定义的波长、无电荷以及所有与量子电动力学一道的标准量子行为------但也将有被共相关到它们之间的属性：超出单个的孤立粒子的量子预测并且特别来纠缠粒子集的共相关性。

长期以来，这是来对纠缠量子粒子执行实验的唯一方法：让两个粒子本质上是相同的，即相同种类的量子粒子。但在一个第一次实验中，一种新种类的量子纠缠刚刚已经被观察到：两个根本上不同的粒子之间的纠缠甚至有相反的电荷！

STAR探测器本身大约是一个房子的大小，是第一个足够灵敏来测量源自一个相对论重阳离子“近乎忽视” 相互作用的子粒子的纠缠属性的探测器。一个2023年初的结果是第一个来证明两个非同一粒子之间纠缠的。(Credit: Brookhaven National Laboratory)

在粒子物理学中，只要你满足所有的量子要求（即你没有正在违反任何守恒定律），并且你也有足够的能量（通过爱因斯坦的E = mc²）可用来创造粒子你能产生新的、重的、不稳定的粒子。从涉及质子和/或中子的碰撞------即含夸克的粒子------最容易来产生的粒子被称为一个M介子，它是夸克-反夸克的组合。最轻的M介子只涉及上夸克、下夸克和奇夸克（和反夸克）是：

π粒子（介子），能是带正电（上-反下）、带负电（下-反上）或中性的（上-反上和下-反下）的超位），

K粒子（卡子）涉及一个奇夸克（或反夸克）和要么一个上要么一个下反夸克（或夸克），

η粒子（etas）涉及一个上-反上夸克、下-反下夸克和奇反奇夸克的混合，

以及ρ粒子（rhos）它------与ω（欧米茄）粒子一起由上下夸克和反夸克组成，但让它们的自旋对齐而不是像其他M介子一样相反对齐。

这些是唯一比质子（和中子）更轻的M介子，对在一个原子核内携带核力负责。它们都是短寿命的并将衰变成更轻的粒子，但在中性介子（π0）粒子总是衰变成两个光子的同时，中性ρ粒子（ρ0）总是衰变成两个一个带正电（π+）和一个带负电（(π–）的л介子。

理论上，ρ粒子介子可以通过强相互作用（左）或弱相互作用（右）衰变成一对介子。由于这些相互作用的相对强度和W玻色子的高质量，强衰变通道是唯一与我们的实验相关的通道。(Credit: marco88 of Physics StackExchange)

来得知源自中性л介子衰变的光子的某些属性能被纠缠可能不会感到惊讶：光子是同一的粒子，这两者都来自一个单个量子粒子的衰变。但刚刚做出的令人震惊的发现是源自一个中性ρ粒子衰变的两个带电л介子也被纠缠标志着两个不同的非同一的粒子来显示纠缠属性的首次发现。像л介子和ρ粒子这样的粒子不仅能从两个质子彼此碰撞浮现，而且只从这两个质子的胶子场相互作用近乎忽视的是足够高能纠缠被识别的方式是辉煌的：当两个相邻质子的原子核中的两个ρ粒子很近两个带正电（π+）的л介子和两个带负电（π–）的л介子各自与彼此干扰，制造它们自己的超位和它们自己的波函数。

该示意图显示ρ粒子的创造以及它们如何衰变，以及该信号怎样在布鲁克海文的STAR探测器中显示。这个实验是第一个来测量新型量子纠缠的实验。(Credit: Brookhaven National Laboratory)

在带正电和带负电的л介子之间观察到的干涉模式是揭示不可逃逸但奇特的结论的关键证据：在每个ρ粒子衰变中产生的带相反电荷的л介子------π+和π– ------ 一定被与彼此纠缠。

这些观测因为ρ粒子被如短寿命产生成为可能：有一个平均只有4个遥克多（yoctoseconds）秒或一秒的4个10^-22的寿命。甚至在光速下，这些粒子与它们之间的距离相比将很快的衰变，使л介子波函数的重叠是实在的。

最重要的是这种新的纠缠形式造成了一个直接的应用：来测量在这些实验中几乎（但不完全）与彼此碰撞的重原子核的半径和结构。来自这两个波函数的重叠发生的的自旋干涉模式允许研究人员来确定半径是多少来描述来自每个原子核的胶子场的相互作用，无论对金（Au-197）还是铀（U-238）。结果是金为6.53 ± 0.06 fm，铀为7.29 ± 0.08 fm，都明显大于使用电荷属性测量每个原子核的半径。

来自两个高能、重原子核的近距离通过的两个短命的ρ粒子M介子的创造导致两个л介子对的创造，这证明了一种之前从未见过的形式的纠缠：在带相反电荷的粒子之间。(Credit: J. Brandenberg/STAR collaboration, Science Advances, 2023)

首次一项实验能够来证明不只是相同的量子粒子能变得被纠缠，而且电荷相反的粒子也能。（π+ 和π–就其价值是彼此的反粒子）。以接近光速的速度使两个重原子核非常接近彼此通过的技术允许源自每个原子核的电磁场的光子来与其他原子核相互作用，偶尔形成一个衰变成两个л介子能被测量。

同样值得注意的是通过这种方法测量原子核的大小，该方法用强力而不是电磁力，给出一个与使用核电荷半径得到的不同的更大的结果。作为该研究的主要作者，詹姆斯·勃兰登堡（James Brandenburg）这样说它，“现在我们能拍一张照片，在那里我们能真的区分在一个给定角度和半径下的胶子的密度。这些图像是如此精确以致我们甚至能开始来看质子的位置和中子被布置在这些大原子核内的之间的差异”。我们现在有一种承诺的方法来探测这些复杂的、重原子核的内部结构，毫无疑问，很快就会有更多的应用。

https://bigthink.com/starts-with-a-bang/quantum-entanglement-weirder/