研究为控制量子材料中的纠缠奠定了基础是怎么回事？

　　表征和控制量子材料中的纠缠对于下一代量子技术的发展至关重要。

　　虽然可以在量子光学中测量纠缠，但定义宏观固体中纠缠的可量化品质因数在理论上和实验上都具有挑战性。

　　通过美国能源部早期职业奖资助的研究，克莱姆森大学的科学家及其合作者发现了一种新颖的方法来检测量子材料中脱离平衡的量子纠缠以及强激光脉冲人工诱导的纠缠。

　　这一发现可以使研究人员能够在超快的时间尺度上控制量子设备，从而为量子应用中基于材料的物质状态的设计开辟道路。

　　这项研究最近发表在著名的《自然通讯》杂志上，并引起了涉及量子控制界和 X 射线两个感兴趣领域的研究人员的关注。这篇文章的标题是 “利用时间分辨共振非弹性 X 射线散射见证光驱动纠缠”。”

　　固有属性

　　纠缠是阿尔伯特·爱因斯坦描述为“幽灵般的超距作用”的现象，它解释了两个亚原子粒子如何能够紧密地彼此联系在一起，即使它们相距很远。尽管它们是分离的，但一个亚原子粒子引起的变化会影响另一个亚原子粒子。

　　“纠缠是量子系统的固有属性，也是任何量子应用的基础，”克莱姆森物理与天文学系二年级研究生、该论文的第一作者乔丁·黑尔斯 (Jordyn Hales) 说。“为了让它有用，我们需要能够检测和控制它。”

　　在过去的几年里，科学家们确定了一个量——称为量子费希尔信息（QFI）——通过中子散射来测量材料中的纠缠。然而，该方法仅限于平衡条件，限制了其在超快时间尺度下工作的可控量子器件的应用。

　　在这项新研究中，由克莱姆森大学物理学助理教授 Yao Wang 领导的科学家们发现了一种通过最近开发的时间分辨共振非弹性 X 射线散射技术来破译任何超快态 QFI 的方法。虽然直接转换是不可能的，因为所有超快光谱的时间分辨率都有限，但研究人员设计了一种迭代算法来克服这个问题。这种方法给出了任何不平衡的量子材料中量子纠缠的下限。

　　检测与控制

　　“我们不仅希望能够检测到纠缠，我们还希望能够控制它并在控制它的同时跟踪它。控制它的一种有效方法是使用强激光，这会使系统失去平衡，”黑尔斯说。“激光控制材料意味着你可以合成一种材料并发出激光。激光具有不同的功率、频率、持续时间和偏振，因此您可以通过不同的方式对其进行控制。这意味着对于单一材料，您可以在大参数空间中访问许多不同的状态。”

　　王说，能够表征纠缠，研究人员可以有目的地设计激光控制，而不是在没有太多预测的情况下随机控制激光。

　　“这就是为什么我们扩展了这种使用时间解析共振非弹性 X 射线散射来检测平衡之外纠缠的方法。现在我们可以实时看到激光脉冲是否以及如何引起纠缠，”王说。

　　黑尔斯表示，下一步是与实验合作者合作验证结果。

　　“我们在超级计算机上进行了大量模拟，并确定了激光确实可以引发瞬态纠缠的材料系统，”黑尔斯说。“我们正在等待实验合作者使用我们的方法进行物理测量并提取纠缠。”该论文的共同第一作者、前克莱姆森博士后研究员 Utkarsh Bajpai 对方法推导做出了重大贡献。来自哈佛大学和马萨诸塞州的研究人员。