杭电美女教授在Nature子刊发论文 破解高温原子纠缠世界性难题

2020-05-21杭州电子科技大学动态青塔

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摘要:杭州电子科技大学的美女教授孔嘉及巴塞罗那光子科学研究院(ICFO)、巴斯克大学(UPV)的研究人员,则是在高温原子纠缠上取得突破,从而在量子精密测量领域取得重要进展。相应成果近日发表在《Nature Communications》(11:2415 (2020),DOI: 10.1038/s41467-020-15899-1)上。
中国人对纠缠并不陌生,中科大的潘建伟教授,通过光子纠缠屡屡实现量子通讯的突破。杭州电子科技大学的美女教授孔嘉及巴塞罗那光子科学研究院(ICFO)、巴斯克大学(UPV)的研究人员,则是在高温原子纠缠上取得突破,从而在量子精密测量领域取得重要进展。相应成果近日发表在《Nature Communications》(11:2415 (2020),DOI: 10.1038/s41467-020-15899-1)上。
这篇以杭州电子科技大学为第一作者单位的论文题为“Measurement-induced, spatially-extended entanglement in a hot, strongly- interacting atomic system”(在炽热、强相互作用的原子系统中由测量实现的非局域性纠缠)。该研究中,孔嘉教授等人在炽热、无序原子气体中成功制备并观测到了前所未有的大尺度原子纠缠态,纠缠原子的数目高达10的13次方,刷新世界上迄今为止的最高记录。这与高灵敏的SERF(无自旋交互驰豫)原子磁力计所采用的传感介质和工作环境完全相同,证实了纠缠态可用于高温的量子传感和精密测量。

图示:纠缠原子云的示意图,其中黄蓝线条表示一对原子间的纠缠。图片版权:© ICFO

纠缠的制备,好比建立人与人之间的默契,比较文学的说法是“心有灵犀”。在经过统一训练的战友之间,比较容易培养出这种默契。相比之下若要在自由散漫的普通人之间培养出“心有灵犀”的默契极具挑战。据了解,热原子气体因其炽热和无序的特性被比作自由散漫的普通人,而冷原子因其统一化一的运动秩序被比作井然有序的军人或战士(引自早年Nature杂志编辑评语)。二者区别类似于白炽灯和激光的区别。
“不难想象在冷原子气体(类似战友)中,更容易制备和维持纠缠等量子关联特性(默契),而想要在热原子气体(类似自由散漫的普通人)中建立量子关联(心有灵犀的默契)便要面临更多的挑战,且考虑到原子随着温度升高越来越猛烈的碰撞因素,想要在热原子气体中维持量子特性更是难上加难。因而以往的量子纠缠相关的技术和应用多在冷原子或低温环境下来实现。这大大限制了纠缠的用武之地。”孔嘉说,例如目前最灵敏的原子磁力计——SERF磁力计,正是以100-200摄氏度的高温原子为传感介质的。纠缠态能否在如此炽热无序的热原子气体制备和维持,是一个有待解决的难题,如果能得以解决势必有着广阔的应用前景。

图示:封装着铷金属和氮气混合物的玻璃气室的照片。该气室将被加热到450开尔文的高温,使得铷金属蒸发为游离态的原子气体,充满了整个气室。图片版权:© ICFO

孔嘉教授等研究人员经过4年的潜心研究,在190°(463开尔文)炽热、无序原子气体中成功制备并观测到了前所未有的大尺度原子纠缠态,纠缠原子的数目高达10的13次方,超出原有记录(Nat. Commun. 8, 906 (2017))两个数量级。全球最大最权威的科学新闻网EurekAlert也以“15万亿个“热舞”原子无序纠缠”为题进行了报道。因为与高灵敏的SERF原子磁力计所采用的传感介质和工作环境完全相同,从而证明了“纠缠态可用于高温的量子传感和精密测量”。
据了解,孔嘉教授等人的这一基础研究成果,有望在量子计算、量子通信和量子传感(例如磁场探测)等方面获得广泛应用。巴塞罗那光子科学研究所(ICFO)的 Morgan Mitchell教授说:“这一结果令人惊讶,与我们通常对纠缠的期望完全相反。” 他补充说道,“我们希望这种大尺度的纠缠态能够提升传感器的灵敏度,包括在大脑成像、自动驾驶汽车以及暗物质探测等应用中实现更好的传感性能。”
孔嘉也是一位年轻妈妈,约5年前她开始高温原子纠缠方向研究,她的孩子到目前差不多4岁。在孩子成长过程中这位痴心科研的妈妈也从未缺席,还经常带孩子一起参加各种学术活动。“可想而知,这是一位多么擅长协调好科研与家庭关系的女科学家啊!”同行对孔嘉老师的精力与活力赞不绝口。可是孔嘉坦言,照顾孩子与搞科研并不冲突,孩子每天给予的微笑和反馈能够很好地消解长周期的科研工作短时没有正向反馈带来的压抑,使人保持乐观、高效的工作状态,起到互相促进的作用,“当然其中甘苦唯有自己才知”。
孔嘉教授是杭电全职引进的高层次人才。近年来,以陆晓铭教授、孔嘉教授领衔的杭电量子精密测量团队在量子成像、量子通信、量子放大器等方面连续取得多项重要进展,在npj Quantum Information,Physical Review A,Physical Review Applied等物理类顶级期刊上发表多篇重要研究成果。

本文转载自:杭州电子科技大学。文章为作者独立观点,不代表青塔立场,转载请联系原作者。

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