杭州电子科技大学在Nature子刊发论文 破解原子高温纠缠难题！

中国人对纠缠并不陌生，中国科学技术大学的潘建伟教授，就是凭借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，则是在原子高温纠缠上取得突破，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》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”。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纪录。这与高灵敏的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。

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炽热、无序的原子就好像互不相识也不相关的人们，各自有各自的生活轨迹，不会受对方的影响，也不会为彼此而改变。而纠缠的原子好比心有灵犀的双胞胎，生活轨迹缠绕在一起，喜怒哀乐交织在一起，是有关联的两个人。而这种关联在精密测量中可以用于降低量子噪声干扰并提升测量的灵敏度。

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平民，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（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。

“不难想象在军队中（冷原子气体）更容易制备和维持这种关联特性，而想要在自由散漫、没有纪律、互不相识的平民（热原子气体）中建立关联便是难上加难，且建立起的关联能否维持下去也是一个挑战（考虑到随着温度升高越来越猛烈的碰撞因素）。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，纠缠态能否在如此炽热无序的热原子气体制备和维持，很多人是有疑问的，如果能解决好势必有着广阔的应用前景。

孔嘉教授等人经过4年的潜心研究，在190°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（超出原有记录两个数量级）。因为与高灵敏的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，从而实现了“纠缠态可用于高温的量子传感和精密测量”。

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。

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据了解，孔嘉教授团队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，4年前她开始高温原子纠缠研究，她的孩子到目前差不多也是4岁，而且孩子成长中主要由这位美丽妈妈照顾，所以这位妈妈带孩子去实验室和各种研讨会是常态。“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，甚至可以互相促进，当然其中甘苦唯有自己才知。

图示：孔嘉和孩子一起参加学术会议。

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。

来源：杭州电子科技大学党委宣传部 文 字 | 程振伟 王珺 排 版 | 王开心 责 编 | 楼 威