大型强子对撞机观测到了顶夸克及其反粒子之间的量子纠缠

大型强子对撞机观测到了顶夸克及其反粒子之间的量子纠缠 粒子物理学中的量子纠缠最近，在安东-蔡林格（Anton Zeilinger）和他的团队首次确证两个光子之间存在纠缠的二十年后，ATLAS 和 CMS 实验报告说，在大型强子对撞机上观测到了同时静止产生的顶夸克及其反粒子之间的量子纠缠。确认最重的基本粒子顶夸克之间的量子纠缠为探索我们世界的量子本质开辟了一条新途径，其能量远远超出了量子光学等领域所能达到的水平。同时，大型强子对撞机上顶夸克对的巨大产生率提供了顶夸克的巨大数据样本，为这些研究提供了独一无二的机会。顶级夸克和反粒子之间的量子纠缠在大型强子对撞机上得到证实，标志着高能量子物理学在大量数据和先进分析方法的支持下取得了重大进展。来源：欧洲核子研究中心爱因斯坦对量子力学的挑战在量子力学中，如果我们知道其中一个粒子在测量另一个粒子时的状态，那么这两个粒子就是纠缠的。即使这两个最初纠缠在一起的粒子在测量前彼此相距很远，情况也是如此。这就是爱因斯坦所说的"超距作用"：虽然信息的传播速度不可能超过光速，但在对第一个粒子进行测量时，第二个粒子保证会立即处于相应的状态。1934 年，爱因斯坦和他的合作者提出了一个思想实验，他们认为这个实验揭示了量子力学的不一致性。为了解决这个悖论，他们提出，我们对纠缠的描述是不完整的，系统中还有其他我们无法通过实验获得的量在起作用。那么，纠缠就是我们对这些隐藏变量一无所知的结果。测量纠缠的先进技术在一项新的测量中，CMS 合作小组首次研究了以极快的速度同时产生的顶夸克和顶反夸克的自旋纠缠。因此，这两个粒子在衰变之前相距甚远，也就是说，它们之间的距离大于以光速传输的信息所能覆盖的距离。夸克和反夸克自旋之间的相关性是通过观察它们衰变产物的角度分布来测量的。分析中采用了最先进的机器学习方法，以正确分配顶（反）夸克衰变产物，并改进系统不确定性的建模。图 1 显示了在两个不同运动学区域观察到的纠缠程度，以参数ΔE 为特征。图 1：在两个运动学区域观察到的以ΔE 为特征的纠缠水平。图中显示了测量结果（点）及其不确定性，并与 SM 预测值（红线）进行了比较。水平蓝线对应于夸克和反夸克之间以光速交换信息所能解释的最大纠缠度ΔE临界值。第一个分段对应于产生的横动量小于 50 GeV 的顶夸克，而在最后一个分段中，顶夸克对具有很高的不变质量，即相互之间的运动速度很大。在这两个运动学区域测得的ΔE 都大于 1，证实了两个粒子之间的纠缠。特别是在第二个分区，顶夸克-反夸克对的相对速度非常大，只有 10%的情况下它们才有机会进行交流。在这里，纠缠度明显高于ΔE临界值，而ΔE临界值是在光速下通过隐藏变量进行信息交流所能解释的纠缠度。因此，测量结果表明，在已知最重的粒子之间确实存在"超距作用"。资料来源：欧洲核子研究中心编译自/citechdaily ... PC版： 手机版：

: 暗物质占据宇宙大部分质量的神秘物质，可能是由被称为引力子的大质量粒子组成，它们在宇宙大爆炸后突然出现。新理论，这些假想粒子

-- : 暗物质占据宇宙大部分质量的神秘物质，可能是由被称为引力子的大质量粒子组成，它们在宇宙大爆炸后突然出现。新理论，这些假想粒子可能是来自额外维的“宇宙难民”。研究人员的计算表明，这些粒子的量可能恰好可以解释暗物质，暗物质只能通过其对普通物质的引力而被“看到”。研究合作者、法国里昂大学的物理学家 Giacomo Cacciapaglia 表示：“大质量引力子是由早期宇宙中的普通粒子碰撞产生的。这个过程被认为太罕见了，因此大质量引力子无法成为暗物质的候选对象。”但在 月发表在《物理评论快报》期刊上的 中，Cacciapaglia 与韩国高丽大学的物理学家 Haiying Cai 和 Seung J. Lee 共同发现，早期宇宙产生的引力子足以解释我们目前在宇宙中探测到的所有暗物质。 研究发现，如果引力子存在，它们的质量将小于 MeV ，因此不会超过电子质量的两倍。这个质量水平远低于希格斯玻色子为普通物质产生质量的尺度这是该模型产生足够多引力子以解释宇宙中所有暗物质的关键。他们在寻找额外维的证据时发现了这些假设的引力子，物理学家怀疑额外维和已观察到的空间的三个维度以及第四维度时间一起存在。在研究团队的理论中，当引力通过额外维传播时，会在我们的宇宙中以大质量引力子的形式出现。但是这些粒子只会与普通物质微弱地相互作用，而且只能通过引力作用。这种描述与我们所知道的暗物质惊人地相似，暗物质不与光相互作用，但是它们的引力影响在宇宙中的任何地方都能感受到。如这种引力影响正是阻止星系飞散的原因。Cacciapaglia 表示：“大质量引力子作为暗物质粒子的主要优点在于它们只在引力作用下相互作用，因此它们可以躲开检测其存在的尝试。”

中国科大构建出基于纠缠的城域量子网络

中国科大构建出基于纠缠的城域量子网络 通过量子态的远程传输来构建量子网络是大尺度量子信息处理的基本要素。基于量子网络，可以实现广域量子密钥分发以及分布式量子计算和量子传感，构成未来“量子互联网”的技术基础。目前，基于单光子传输的量子密钥网络已发展成熟，而面向分布式量子计算、分布式量子传感等进一步量子网络应用，需要采用量子中继技术在远距离量子存储器间构建量子纠缠，在此基础上通过广域量子隐形传态将各个量子信息处理节点连接起来。新研究使得现实量子纠缠网络的距离由几十米提升至几十公里，为后续开展分布式量子计算、分布式量子传感等量子网络应用奠定基础，该研究是国际首个城域多节点量子网络实验。《自然》杂志也在同一期发表了美国哈佛大学Lukin团队的相关实验进展，该团队首次在SiV色心体系实现了双节点远距离纠缠。二者相比，中国科大成果在纠缠效率方面有明显优势，比哈佛大学的研究高两个数量级以上。 ... PC版： 手机版：

科学简单点：什么是量子力学？

科学简单点：什么是量子力学？ 在这段"科学 101：什么是量子力学"的视频中，阿贡材料科学部学者凯瑟琳-哈蒙（Katherine Harmon）解释了什么是量子力学。量子力学是一种理论，涉及物质、能量和光的最基本位以及它们相互作用构成世界的方式。这一具有里程碑意义的理论起源于 20 世纪初，在 21 世纪被广泛应用于现实世界。阿贡科学家哈蒙和许多其他科学家在实验室中应用量子力学，正在开发有朝一日能够改变社会和我们对宇宙认识的技术。量子传感器可以检测到以前检测不到的癌细胞。量子互联网可以确保信息和数据通信不受黑客攻击。量子计算机可以解决经典计算机无法解决的复杂问题。量子理论还将继续推进我们对宇宙的认识，从原子深处错综复杂的动力学，到宇宙诞生这样宏大的宇宙事件。20 世纪初，科学家们开始发展量子力学，以解释一系列实验结果，这些实验结果无法用其他任何解释来解释。如今，科学家们利用这一理论创造出强大的技术无法破解的信息通信、更快的药物发现以及手机和电视屏幕上更高质量的图像。那么，什么是量子呢？从更广泛的意义上讲，"量子"一词可以指某种事物的最小可能量。量子力学领域研究的是最基本的物质、能量和光，以及它们相互作用构成世界的方式。与我们通常思考世界的方式不同，我们想象事物分别具有粒子或波的特性（例如棒球和海浪），但这种概念在量子力学中行不通。根据不同的情况，科学家可能会观察到同一个量子物体具有粒子或波的特性。例如，光不能被认为只是光子（一种光粒子）或只是光波，因为我们可能在不同的实验中观察到这两种行为。平日里，我们看到的事物每次只有一种"状态"：在这里或在那里，移动或静止，正面朝上或反面朝上。在量子力学中，物体的状态并不总是那么简单明了。例如，在我们确定一组量子物体的位置之前，它们可能存在于一个或多个位置的叠加（或一种特殊的组合）中。不同的可能状态就像池塘中的波浪一样相互组合和干扰，只有在我们观察之后，物体才会有一个确定的位置。叠加是使量子计算机成为可能的主要特征之一，因为它使我们能够用新的和有用的方式来表示信息。另一种有趣的量子行为是隧穿，量子物体（如电子）有时可以穿过原本无法穿过的障碍。之所以会发生这种情况，是因为叠加允许电子有很小的几率出现在障碍的另一侧。量子隧道技术可应用于闪存设备、功能强大的显微镜和量子计算机等领域。当量子物体相互作用时，它们通过一种叫做纠缠的联系彼此相连。即使物体之间相隔很远，这种联系也能保持。爱因斯坦称之为"距离的幽灵作用"。科学家们正在利用它进行超安全通信，它也是量子计算的一个基本特征。在美国能源部（DOE）的阿贡国家实验室，科学家们利用世界一流的专业知识和研究设施，开发用于存储、传输和保护信息的量子技术，并研究我们的宇宙，从原子内部深处的复杂动力学到宇宙诞生这样宏大的事件。阿贡还领导着 Q-NEXT（美国能源部国家量子信息科学研究中心），该中心致力于开发量子材料和器件，并将量子技术的力量用于通信。资料来源：阿贡国家实验室什么是量子信息科学？利用原子尺度上的反直觉行为，我们可以在实用尺度上为信息科学带来强大变革。科学家们正在争分夺秒地开发能够存储、传输、操纵和保护信息的量子系统。量子比特是量子计算和其他量子信息系统的基本组成部分。它们类似于经典计算机中的比特，要么是 0，要么是 1。量子比特的奇特之处在于，它们可以同时为 0 和 1。这种重叠状态极大地增强了量子计算机的性能。量子比特本身可以有多种不同的形式电子、光粒子，甚至是高度结构化材料中的微小缺陷。科学家们正在努力设计能在量子态中保持信息数秒（"相干性"）并能与其他量子比特连接（"纠缠"）的量子比特。量子技术可以改变国家和金融安全、药物发现以及新材料的设计和制造，同时加深我们对宇宙的理解。编译自:ScitechDaily相关文章:科学简单点：什么是超级计算？科学简单点：什么是人工智能？ ... PC版： 手机版：

开创性实验测量地球自转对量子纠缠的影响

开创性实验测量地球自转对量子纠缠的影响 萨格纳克干涉仪2公里长的光纤缠绕在边长1.4米的方形铝制框架上。 图片来源：奥地利维也纳大学光学萨格纳克干涉仪在测量旋转时已经非常灵敏，但是基于量子纠缠的干涉仪具有进一步提高这种灵敏度的潜力。量子纠缠是一种现象，其中两个或多个粒子共享一种状态，即使它们被远距离分开，其中一个粒子的测量也会影响另一个粒子的状态。研究团队建造了一个巨大的光学萨格纳克干涉仪，并在数小时内将噪声保持在低而稳定的水平。这使得他们能够检测到足够高质量的纠缠光子对，相比以前的光学萨格纳克干涉仪，旋转精度提高了1000倍。在一项实验室实验中，科学家们将纠缠光子（红色方块）送入一个干涉仪（如图），该干涉仪的灵敏度足以测量地球的自转。马尔科-迪维塔在实际实验中，两个纠缠光子在巨大线圈上缠绕的2公里长的光纤内传播，实现了一个有效面积超过700平方米的干涉仪。针对地球自转，研究人员还设计了一个巧妙的方案：将光纤分成两个等长的线圈，并通过一个光学开关将它们连接起来。通过打开和关闭开关，可有效地根据需要取消旋转信号，并延长大型设备的稳定性。这种方式就像“欺骗”光，让它认为处于一个非旋转的宇宙中。利用这项实验，研究人员观察到了地球自转对最大纠缠双光子态的影响。这证实了爱因斯坦狭义相对论和量子力学中描述的旋转参考系和量子纠缠之间的相互作用。研究人员表示，该研究结果和方法将为进一步提高基于量子纠缠的传感器旋转灵敏度奠定基础，可能会为未来通过时空曲线测试量子纠缠行为的实验开辟道路。 ... PC版： 手机版：

创新性研究利用悬浮光学机械观察较大物体的量子现象

创新性研究利用悬浮光学机械观察较大物体的量子现象 两个被光学捕获的纳米粒子通过光子在镜子之间来回反弹而耦合在一起，图片显示两个纳米粒子（绿色）被光镊/激光束（红色）困住，并被放置在两面镜子（白色）之间，形成一个光腔（周期性的蓝色圆球）。纳米粒子（紫色斜箭头）散射的光子被困在空腔中，从而导致两个纳米粒子之间的相互作用（紫色直线）。资料来源：曼彻斯特大学量子物理定律支配着微小尺度上的粒子行为，从而产生了量子纠缠等现象，纠缠粒子的特性以经典物理学无法解释的方式密不可分地联系在一起。较大物体中的量子现象量子物理学研究有助于我们填补物理学知识的空白，并能让我们更全面地了解现实，但量子系统运行的微小尺度会使它们难以观测和研究。在过去的一个世纪里，物理学家成功地在越来越大的物体中观测到了量子现象，从电子等亚原子粒子到包含成千上万原子的分子。最近，悬浮光机械学领域涉及在真空中控制高质微米级物体，其目的是通过测试比原子和分子重几个数量级的物体中量子现象的有效性，进一步推动这一领域的发展。然而，随着物体质量和尺寸的增加，产生微妙量子特征（如纠缠）的相互作用会被环境所遗忘，从而导致我们观察到的经典行为。克服环境噪声但现在，曼彻斯特大学量子工程实验室主任 Jayadev Vijayan 博士与苏黎世联邦理工学院的科学家以及因斯布鲁克大学的理论家共同领导的团队，在苏黎世联邦理工学院进行的一项实验中确立了克服这一问题的新方法，并发表在《自然-物理》杂志上。Vijayan博士说："要在更大尺度上观测量子现象并揭示经典-量子转换，就必须在环境噪声的影响下保留量子特征。可以想象，要做到这一点有两种方法：一是抑制噪声，二是增强量子特征。我们的研究展示了通过第二种方法应对挑战的方法。我们的研究表明，两个光学捕获的 0.1 微米大小的玻璃颗粒之间的纠缠所需的相互作用可以放大几个数量级，以克服环境损失。"科学家们将粒子放在两面高反射镜之间，形成一个光腔。这样，每个粒子散射的光子在离开空腔之前会在镜子之间反弹数千次，从而大大提高了与另一个粒子发生相互作用的几率。苏黎世联邦理工学院的论文共同负责人约翰内斯-皮奥特罗斯基（Johannes Piotrowski）补充说："值得注意的是，由于光学相互作用是由空腔介导的，其强度不会随距离衰减，这意味着我们可以将微米级粒子耦合到几毫米的范围内。研究人员还展示了通过改变激光频率和粒子在腔体内的位置来精细调整或控制相互作用强度的非凡能力。实际应用和未来方向这些发现是对基础物理学理解的重大飞跃，同时也为实际应用带来了希望，特别是可用于环境监测和离线导航的传感器技术。维也纳技术大学的合作者卡洛斯-冈萨雷斯-巴列斯特罗博士说："悬浮机械传感器的关键优势在于，与其他使用传感技术的量子系统相比，它们的质量很高。大质量使其非常适合探测引力和加速度，从而提高灵敏度。因此，量子传感器可用于各个领域的许多不同应用，如监测极地冰层用于气候研究，测量加速度用于导航目的等。"皮奥特罗斯基补充说："能在这个相对较新的平台上工作，并测试我们能在多大程度上将其推入量子体系，这令人兴奋。"现在，研究团队将把新功能与成熟的量子冷却技术相结合，大步迈向量子纠缠的验证。如果成功，实现悬浮纳米粒子和微粒子的纠缠将缩小量子世界与日常经典力学之间的差距。在曼彻斯特大学光子科学研究所和电气与电子工程系，Jayadev Vijayan 博士的团队将继续研究悬浮光学机械学，利用多个纳米粒子之间的相互作用，将其应用于量子传感领域。编译自:ScitechDaily ... PC版： 手机版：