由橡树岭国家实验室制作
被描绘成红色球体的物质的自旋被散射的中子探测
应用纠缠见证，例如图中的QFI计算，导致中子形成一种量子规
这种量具允许研究人员区分经典和量子自旋波动
信用:内森·阿米斯特德/ORNL，美国
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能源之王 量子纠缠发生在两个粒子看起来没有物理联系的情况下，阿尔伯特·爱因斯坦将这种现象称为“远距离的怪异行为”
“近90年后，一个由美国领导的团队
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能源部橡树岭国家实验室证明了“量子纠缠见证”的可行性，它能够证明量子材料中磁性粒子或自旋之间存在纠缠
该团队——包括来自ORNL、柏林亥姆霍兹-曾特鲁姆大学、柏林技术大学、劳厄-朗之万研究所、牛津大学和亚当·米基维奇大学的研究人员——使用中子散射实验和计算模拟相结合的方法测试了三个纠缠证人
纠缠见证是一种用作数据分析工具的技术，用于确定哪些自旋跨越了经典和量子领域之间的阈值
纠缠见证最早是由约翰·斯图尔特·贝尔在20世纪60年代提出的，它证实了其他科学家质疑的量子理论是正确的
贝尔的技术依赖于一次探测一对粒子，但这种方法对于研究由数万亿和数万亿粒子组成的固体材料没有用
通过使用新的纠缠见证来瞄准和检测大量纠缠自旋，该团队将这一概念扩展到表征固体材料和研究超导体和量子磁体中的奇异行为
为了确保证人是可信的，研究小组把他们三个都应用到了一种材料上，他们知道这种材料因为之前的自旋动力学研究而被纠缠
其中两个基于贝尔方法的证人充分表明了这个一维自旋链中纠缠的存在——一条直线的相邻自旋与它们的nei ghbors连通，而忽略了其他粒子——但第三个基于量子信息理论的证人在同一项任务中表现异常出色
“量子费希尔信息，或称QFI证人，显示了理论和实验之间的紧密重叠，这使得它成为量化纠缠的一种健壮而可靠的方法，”艾伦·谢伊说，他是ORNL大学的博士后研究助理，也是该团队发表在《物理评论B》上的概念证明论文的主要作者
因为看起来是量子性质的物质中的波动可能是由随机热运动引起的，这种热运动只在温度标度上的绝对零度时消失，大多数现代方法无法区分这些错误警报和实际的量子活动
该团队不仅证实了纠缠随着温度降低而增加的理论预测，还成功区分了经典和量子活动，这是自2016年提出该技术以来最全面的QFI演示的一部分
“最有趣的材料充满了量子纠缠，但那些恰恰是最难计算的，”ORNL中子散射科学家艾伦·滕南特说，他领导的项目专注于量子科学中心的量子磁体，或总部设在ORNL的美国能源部国家量子信息科学研究中心QSC
此前，快速识别量子材料的挑战给该中心的任务设置了重大障碍，该任务涉及利用纠缠来开发新型器件和传感器，同时推进量子信息科学领域
通过与QFI一起简化这一过程，QSC的研究人员可以专注于利用物质的能量，例如被称为量子pin液体的稀有物质相，以及被称为超导体的不耐电材料，用于数据存储和计算应用
谢伊说:“QFI的力量来自于它与量子计量学的联系，在量子计量学中，科学家将多个准粒子纠缠在一起，以缩小不确定性，并获得极其精确的测量结果。”
“QFI证人通过使用现有测量的精度来确定每个自旋纠缠的最小粒子数，从而逆转了这种方法
这是揭示量子相互作用的一种强有力的方法，这意味着QFI确实适用于任何量子磁性材料
" 在确定QFI可以正确地对材料进行分类后，研究小组测试了第二种一维自旋链，这是一种更复杂的材料，具有各向异性，这是一种使自旋位于平面内而不是随机旋转的特性
研究人员对自旋链施加磁场，并观察到一个纠缠跃迁，在这个跃迁中，纠缠的数量在重新出现之前降至零
他们在《物理评论快报》上发表了这一发现
为了获得这些结果，研究人员使用中子散射研究了这两种自旋链，然后分析了几十年前在英国ISIS Neu tron源和法国Laue-Langevin研究所进行的实验的遗留数据，以及位于ORNL运营的美国能源部科学办公室用户设施scattering中子源的广角斩波器光谱仪的新数据
他们还运行了补充模拟来验证理想化理论数据的结果
滕南特形容中子“简单得很”，中子是探测物质性质的理想工具，因为它们带有中性电荷，并且是非破坏性的
滕南特说:“通过研究从样品中散射出来的中子的分布，中子可以传递能量，我们能够使用中子作为测量量子纠缠的标准，而不依赖于理论，也不需要还不存在的大规模量子计算机。”
根据该团队的说法，这种先进的计算和实验资源的结合为量子力学创始人最初提出的量子纠缠的本质提供了答案
谢伊预计，QFI计算很可能成为中子散射实验标准程序的一部分，这种实验最终甚至可能表征最神秘的量子材料
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