科學家在量子信息傳輸中斬獲新高度

【博科園-科學科普（關注「博科園」看更多）】當到「信息技術」時，通常指的是技術部分，比如計算機、網路和軟體。但信息本身及其在量子系統中的行為，是麻省理工學院跨學科量子工程集團(QEG)的中心重點，因為它致力於開發量子計算和其他量子技術的應用。QEG團隊通過一種新的測量方法和在物理評論快報上的一篇新文章中描述的度量方法，為大型量子力學系統中的信息傳播提供了前所未有的可見性。該團隊首次利用室溫固態核磁共振(NMR)技術對氟磷灰石晶體中量子自旋的相關性進行了測量。越來越多的研究人員認為，對信息傳播的更清晰的理解，不僅對理解量子領域的運作至關重要，因為在量子領域，經典物理定律通常並不適用，但也可以幫助設計量子計算機、感測器和其他設備的內部「布線」。

Quantum Engineering Group（QEG）實驗室的NMR光譜儀。圖片版權：Paola Cappellaro

一種關鍵的量子現象是非經典的相關，即糾纏，在這種關係中，一對或一組粒子相互作用，以至於它們的物理性質不能被獨立地描述，即使是在粒子被廣泛分離的情況下。這種關係是物理學、量子資訊理論快速發展領域的核心。它提出了一種新的熱力學觀點，即信息和能量是相互關聯的，即信息是物理的，而量子級的信息共享是熵和熱平衡的普遍趨勢，在量子系統中被稱為熱化。埃斯特和哈羅德·e·埃哲頓(Harold E. Edgerton)是核科學與工程學院的副教授，他與物理學研究生肯·玄偉(Ken Xuan Wei)以及長期合作的達特茅斯學院(Dartmouth College)的錢德拉塞卡·拉曼納坦(Chandrasekhar Ramanathan)共同撰寫了這篇論文。

Cappellaro解釋說，這項研究的主要目的是測量兩種狀態之間的量子級鬥爭：熱化和局部化，這是一種信息傳遞受限的狀態，而更高的熵的傾向某種程度上是通過無序來抵抗的。QEG團隊的工作集中在多體定位(MBL)的複雜問題上，即自旋自旋相互作用的作用至關重要。在實驗室中通過實驗收集這些數據的能力是一個突破，部分原因是量子系統的模擬和本地化的熱化過渡對於當今最強大的計算機來說是極其困難的。「當你有互動的時候，問題的大小就變得非常棘手。你可以用蠻力模擬大概12個旋轉，但這是差不多的——比實驗系統能探測到的要少得多。NMR技術可以揭示自旋之間的相關關係，因為在應用磁場下，相關自旋的旋轉速度比孤立的自旋快。然而傳統的NMR實驗只能提取有關相關性的部分信息。QEG研究人員將這些技術與他們對晶體中自旋動力學的知識相結合，其幾何結構近似地將進化限制為線性旋轉鏈。

這種方法使我們能夠計算出一個度量，平均相關長度，因為在一個鏈中有多少個自旋是相互連接的。除了能夠區分不同類型的本地化(如MBL和更簡單的Anderson本地化)之外，該方法還代表了通過引入無序來控制這些系統的可能的進展，這將促進本地化。因為MBL保存信息並防止它變得混亂，所以它具有內存應用程序的潛力。研究的焦點地址熱力學的基礎，一個非常基本的問題的問題為什麼系統使熱化甚至存在溫度的概念，前麻省理工學院博士後伊瑪尼Marvian。他現在是杜克大學助理教授物理和電氣和計算機工程的部門。在過去的10年里，有越來越多的證據，從分析論證到數值模擬，即使系統的不同部分相互作用，在MBL階段系統中也不會有熱。我們現在能在實際的實驗中觀察到這一點非常令人興奮。

自旋鏈中的量子多體相關性從沒有障礙時的初始局部化狀態發展而來，但通過平均相關長度來衡量，受限於障礙的有限尺寸。圖片版權：Paola Cappellaro

人們已經提出了不同的方法來檢測這一階段的物質，但是他們在實驗室中很難測量。Paola的研究小組從一個新的角度研究了它，並引入了可以測量的數量。他們能夠從NMR實驗中提取出MBL的有用信息，這讓我印象深刻。這是一個巨大的進步，因為它可以在天然水晶上試驗MBL。這項研究能夠利用美國空軍之前授予的nmrna相關能力，以及國家科學基金會的一些額外資助。這個研究領域的前景很有希望。在很長一段時間裡，大多數人體內的量子研究都集中在平衡性質上。現在，因為我們可以做更多的實驗並且想要設計量子系統，我們對動力學有更大的興趣，並且有新的項目專門研究這個領域。希望我們能得到更多的資金，繼續工作。

知識：科學無國界，博科園-科學科普

參考：物理評論快報

內容：經「博科園」判定符合今主流科學

來自：麻省理工學院

編譯：中子星

審校：博科園

解答：本文知識疑問可於評論區留言

傳播：博科園

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