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量子世界又一次违背直觉:越少干预,效果反而越好

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如果要给现代物理挑一个最不可思议的现象,很多科学家都会选择同一个答案。

量子纠缠。



两个粒子即使相隔数百公里、数千公里,甚至未来可能横跨整个地球,只要它们处于纠缠状态,其中一个发生变化,另一个就会立即表现出对应关系。

爱因斯坦曾经对此十分不满,把它称为"鬼魅般的超距作用"。

直到今天,没有任何人能够用日常经验真正理解它。

但越来越多的实验告诉我们,它不仅真实存在,而且可能成为未来量子计算和量子互联网最重要的基础。

问题是,这种神奇的状态实在太脆弱了。

它就像一层极薄的肥皂泡。

一点点震动、一丝热量、一次测量,都可能让它瞬间破裂。

这也是量子计算迟迟难以大规模发展的重要原因之一。

理论上,一台真正成熟的量子计算机,需要大量量子比特始终保持纠缠。

可现实却是,科学家往往刚刚制造出纠缠,它就已经消失了。

过去二十多年,物理学家一直在想办法解决这个问题。

最常见的方法,是不断人为干预。

比如利用激光、微波或者单个光子,不停调整量子比特的状态。

一旦发现纠缠减弱,就立刻重新建立。

这种方式虽然有效,却像不停扶着一辆刚学会骑的自行车。

只要停止控制,它马上就会倒下。

还有另一种方案,是让两个量子比特分别发出光子,再利用这些光子之间的干涉建立纠缠。

2022年诺贝尔物理学奖所奖励的重要工作,就属于这一方向。

不过,它依然存在一个问题。

这种纠缠并不会稳定存在。

科学家必须一次又一次重复实验,再从大量结果中挑选出成功的那几次。

换句话说,它更像是在等待运气。

如果没有成功,就只能重新开始。

最近,奥地利科学技术研究所(ISTA)的研究团队提出了一种完全不同的思路。

既然不断"修补"量子纠缠太麻烦,那为什么不直接创造一种环境,让纠缠自己维持下去?

这个想法,其实早在二十多年前就已经有人提出。

只是当时没人知道该如何真正实现。

研究人员把这种特殊环境称为"量子浴"。

名字听起来有点奇怪。

其实可以把它想象成一片特殊的海洋。

过去,量子比特生活在一片充满噪声的海里。

海浪不断冲击,它们之间的纠缠自然很快就被打散。

而现在,科学家重新设计了这片海洋。

他们让海水本身拥有一种特殊的同步节奏。

当两个彼此分开的量子比特同时浸泡在这样的环境里,它们就会像两个随着同一段音乐起舞的人一样,不需要任何人指挥,也能始终保持一致。

真正发挥作用的,是一种彼此关联的微波光子。

它们不断流入整个系统,就像源源不断输送着相同节奏的鼓点。

两个量子比特虽然彼此没有直接接触,却会同时受到这些光子的影响。

最终,它们慢慢进入稳定的纠缠状态。

最重要的是,这一切几乎不需要人为控制。

没有复杂反馈,没有不停测量,也不用不断重新建立纠缠。

系统自己就能维持这种状态。

研究人员形容,这就像让两个相隔很远的人,同时听见同一首音乐。

他们无需交流,也会随着同一个节拍起舞。



为了确认这种纠缠真的存在,研究团队还使用了一种叫做量子层析成像的方法。

普通测量只能告诉我们,一个量子比特最终是0还是1。

但量子世界真正重要的信息,恰恰隐藏在测量之前。

量子层析成像有点像医学里的CT扫描。

医生不会只拍一张照片,而是从不同角度连续扫描,再利用大量切片重建人体内部结构。

科学家对量子态做的事情也类似。

他们连续进行了大量持续仅20到80纳秒的超高速测量,再利用数学方法把这些碎片重新拼接,最终恢复出整个量子态。

结果证实,两颗彼此隔离的量子比特,确实在这种量子浴中保持着稳定纠缠。

这也是二十多年前理论预测第一次在实验中得到验证。

当然,这项技术距离真正改变量子计算,还有一段距离。

目前,这套系统只能利用量子浴中大约10%的纠缠资源。

相比传统主动控制方法,它的效率还不算高。

但它最大的价值,并不在于今天有多快。

而在于,它证明了一种新的可能。

未来的量子计算机,也许不用时时刻刻依赖复杂的控制系统,而是可以像生命一样,在一种精心设计的环境中,自然而然地维持自身运行。

对于量子计算来说,这意味着一种思路的改变。

过去,人们一直在努力控制每一个量子比特。

而现在,科学家开始尝试控制整个环境。

这看似只是研究方向的一点变化,却可能决定未来量子计算机究竟能否从实验室走向现实。

过去二十年,人类一直试图让量子纠缠保持得更久。

这一次,科学家没有继续追赶那团稍纵即逝的量子火焰,而是尝试让它自己燃烧。

如果这条道路能够继续走通,那么未来真正的大规模量子计算,或许将不再依赖一次次精密而繁琐的人为干预,而是建立在一种能够持续产生并稳定维持量子纠缠的新机制之上。

这项成果还只是一个实验室原型,但它证明了一件事:曾经停留在理论中的设想,如今已经迈出了走向现实的第一步。

(参考:A. Andrés-Juanes et al, Distributing Stationary Qubit Entanglement through a Nonlocal Squeezed Reservoir,

Physical Review X

(2026).

DOI: 10.1103/r4jt-j39w)

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