新研究首次证明不同粒子之间的量子纠缠

（全文约4500字，看完需5分钟）

不仅仅是相同的粒子可以纠缠在一起，即使是那些具有根本不同性质的粒子也会相互干扰。

此图显示了两个纠缠粒子的连通性。2023 年初，首次证明不同粒子（正负介子）之间的纠缠不仅存在，而且可以测量、利用和用于探测原子核的内部结构。

关键要点

• 迄今为止发现的最奇异的量子现象之一是量子纠缠：两个粒子都处于一种状态，其中一个的属性取决于另一个。
• 如果不确定过程中的属性，就无法测量量子粒子的状态，无论何时这样做都会“打破”纠缠。
• 通常用相同的粒子观察，纠缠刚刚在具有相反电荷的粒子之间被证明，并且利用该特性向我们展示了前所未有的原子核。

在量子宇宙中，事物的表现与我们通常的经验所揭示的截然不同。在我们熟悉的宏观世界中，我们可以测量的任何物体似乎都具有与我们是否观察它无关的内在属性。我们可以测量质量、位置、运动、持续时间等事物，而不必担心该物体是否会受到我们测量的影响；现实完全独立于观察者而存在。但在量子世界中，这显然不是真的。测量系统的行为从根本上以不可逆转的方式改变了它的属性。

最奇怪的量子特性之一是纠缠：多个量子具有不确定的固有特性，但每个量子的特性都不是独立于另一个的。我们之前已经看到了光子、电子和各种相同粒子的证明，使我们能够测试和探索现实的基本和令人惊讶的本质。事实上，2022 年诺贝尔物理学奖正是授予对这一现象的研究。

但在一项新颖的实验中，首次证明了不同粒子之间的量子纠缠，并且该技术已被用于以前所未有的方式观察原子核。

两个纠缠粒子的插图，它们在空间中分离，并且每个粒子在被测量之前都具有不确定的特性。实验已经确定，在测量发生的关键时刻之前，纠缠对中的任何一个成员都不存在于特定状态：这是实现许多现代量子技术的关键方面。

原则上，量子纠缠是一个易于理解的概念，它建立在量子非决定论的思想之上。想象一下，您从帽子中拉出一个球，并且有 50/50 的机会该球具有两个属性之一。

• 也许是颜色：球可以是黑色或白色。
• 也许是质量：要么你拉出一个轻球，要么拉出一个重球。
• 也许是它旋转的方向：球可能“向上旋转”或“向下旋转”。

如果你只有一个球，你可能会想：把它拉出来检查球时，它是否总是具有这些特性，甚至在你看它之前？或者球是否有一组不确定的参数，其中混合了：

• 黑和白，
• 轻而重，
• 上下混合旋转，

那只是在您进行关键测量时才确定的吗？

正如双缝实验和 Stern-Gerlach 实验等著名实验所证明的那样，这是量子力学的重要见解之一。两者都值得解释。

“蒙面”双缝实验的结果。请注意，当第一个狭缝 (P1)、第二个狭缝 (P2) 或两个狭缝 (P12) 打开时，您看到的图案会非常不同，具体取决于一个或两个狭缝是否可用。

如果你拿一个有两个细缝的屏障，当你向它发送波时会发生什么？答案很简单：你会在障碍物后面看到一个波浪状的图案，波浪中穿过每个狭缝的部分相互干扰，导致另一侧出现波峰和波谷的图案。

相反，如果您向屏障发送一系列粒子，会发生什么情况？答案也很简单：你在屏障后面得到一个类似粒子的图案，其中粒子要么穿过狭缝#1 要么穿过狭缝#2，因此你只会在另一侧得到两堆。

但在量子力学中，当你让量子粒子通过双缝时，如果你不测量每个粒子穿过哪个狭缝，你会得到一个波状图案，但如果你进行了测量，你会得到一个类似粒子的图案。即使你一次一个地发送量子，这也是正确的，就好像它们在干扰自己一样。观察的行为——进行关键测量——以及你是否这样做决定了你看到的是哪种模式。正如我们观察到的那样，现实取决于在批判性观察之前发生或不发生的相互作用。

当一组粒子通过单个 Stern-Gerlach 磁铁时，它们会根据自旋发生偏转。如果你让它们穿过第二个垂直的磁铁，它们会在新的方向上再次分裂。如果你然后用第三个磁铁回到第一个方向，它们会再次分裂，证明先前确定的信息被最近的测量随机化了。

类似地，Stern-Gerlach 实验源于使具有称为“自旋”的固有属性的量子粒子通过磁场，这意味着固有角动量。这些粒子将偏转与场对齐或与场反对齐：相对于场的方向向上或向下。

如果你试图通过这样一个磁场来偏转一个自旋已经确定的粒子，它不会改变：上升的粒子仍然上升；那些下降的仍然会下降。

但是，如果你让它通过一个不同方向的磁场——在其他两个空间维度之一——它会再次分裂：左-右或向前-向后，而不是向上和向下。现在更奇怪的是，一旦你把它左右或前后分开，如果你再让它通过一个上下磁场，它就会一次反对分裂。就好像您进行的最后一次测量删除了所有先前的测量，以及对存在于该维度中的量子态的任何确定性确定。

量子力学的纠缠对可以比作一台机器，它会朝相反的方向抛出颜色相反的球。当 Bob 接住一个球并且看到它是黑色的时，他立即知道 Alice 接住了一个白色的球。在一个使用隐藏变量的理论中，球总是包含关于显示什么颜色的隐藏信息。然而，根据量子力学，这些球在有人观察之前一直是灰色的，此时一个随机地变成白色，另一个随机地变成黑色。贝尔不等式表明存在可以区分这些情况的实验。这些实验证明了量子力学的描述是正确的。

这有点量子怪异，但它与纠缠没有任何关系。当你有两个或更多粒子都表现出一些这种量子不确定性，但以一种相互联系的方式一起表现出来时，就会出现纠缠。在纠缠量子系统中，一个粒子的量子态与另一个粒子的量子态相关。单独来看，每个量子态似乎（并且被测量为）完全随机。

但是如果你把这两个量子放在一起，你会发现两者的组合属性之间存在相关性：如果你只测量其中一个，你就无法知道这一点。你可以假设

• 要么适用标准量子力学，
• 或者两个粒子的状态独立于它们是否被观察而存在，

并得出两个不同的预测。2022 年诺贝尔物理学奖的一部分是为了证明，当你实际进行这些实验并测量两个量子态时，你会发现相关性仅与标准量子力学一致，而不符合两个粒子的状态独立存在的想法他们是否被观察到。

实验测量的比率 R(ϕ)/R_0 作为偏振器轴之间的角度 ϕ 的函数。实线不是对数据点的拟合，而是量子力学预测的极化相关性；碰巧的是，数据以惊人的精度与理论预测一致，并且无法用两个光子之间的局部真实相关性来解释（这将导致预测的直线而不是曲线）。

正是出于这个原因，量子纠缠通常被描述为令人毛骨悚然和违反直觉的。

然而，量子纠缠实验通常涉及光子：光、电磁辐射被量子化成的粒子。这些纠缠光子的产生方式通常来自于让单个光子通过所谓的下转换晶体，一个光子进入，两个光子出来。这些光子具有常规光子的所有正常属性——包括自旋、由其能量定义的波长、无电荷，以及量子电动力学带来的所有标准量子行为——但也将具有它们之间相关的属性：相关性这超出了对单个孤立粒子的量子预测，并且特定于纠缠的粒子集。

长期以来，这是用纠缠量子粒子进行实验的唯一方法：拥有两个性质相同的粒子，即，它们是同一种量子粒子。但是在第一次实验中，刚刚观察到了一种新的量子纠缠：两个根本不同的粒子之间的纠缠，它们甚至具有相反的电荷！

STAR 探测器本身大约有一个房子那么大，是第一个足够灵敏的探测器，可以测量由相对论重离子“未命中”相互作用产生的子粒子的纠缠特性。这个 2023 年初的结果首次证明了两个不同粒子之间的纠缠。

在粒子物理学中，你可以产生新的、重的、不稳定的粒子，只要你满足所有的量子要求（即，你不违反任何守恒定律）并且你也有足够的能量（通过爱因斯坦的E = mc²）可用要创建的粒子。从涉及质子和/或中子（即含夸克的粒子）的碰撞中，最容易产生的粒子被称为介子，它是夸克-反夸克的组合。仅涉及上夸克、下夸克和奇夸克（和反夸克）的最轻介子是：

• π粒子（pion），可以带正电（up-antidown），带负电（down-antiup），或中性（up-antiup和down-antidown的叠加），
• K 粒子（介子），它涉及一个奇夸克（或反夸克）和一个上或下反夸克（或夸克），
• η 粒子 (etas)，包含上反上夸克、下反下夸克和奇异反奇夸克的混合体，
• 和 ρ 粒子 (rhos)，它们与 ω (omega) 粒子一起由上下夸克和反夸克组成，但它们的自旋是对齐的，而不是像其他介子那样是反对齐的。

它们是唯一比质子（和中子）轻的介子，负责在原子核内携带核力。它们都是短命的，都会衰变成更轻的粒子，但是中性π介子 (π 0 ) 粒子总是衰变成两个光子，而中性 rho (ρ 0 ) 粒子总是衰变为两个带正电的 (π + )和带负电的 (π – ) 介子。

理论上，rho 介子可以通过强相互作用（左）或弱相互作用（右）衰变为一对介子。由于这些相互作用的相对强度和 W 玻色子的质量，强衰变通道是唯一与我们的实验相关的通道。

中性π介子衰变产生的光子的某些特性可以纠缠，您可能不会感到惊讶：光子是相同的粒子，这两个粒子来自单个量子粒子的衰变。但刚刚取得的令人震惊的发现是，由中性 rho 衰变产生的两个带电介子也相互纠缠，这标志着首次发现两个不同的、不同的粒子显示出纠缠特性。介子和 rho 之类的粒子不仅可以从两个质子相互碰撞中产生，而且还可以从这两个质子的胶子场相互作用中产生足够高的能量。

识别纠缠的方式非常出色：当两个相邻质子的原子核中产生两个 rho 粒子时，它们几乎立即分别衰变为这两个带电介子。因为它们在空间中靠得很近，所以两个带正电 (π + ) 的介子和两个带负电的 (π – ) 介子相互干扰，产生它们自己的叠加和它们自己的波函数。

该示意图显示了 rho 粒子的产生及其衰变方式，以及该信号如何出现在布鲁克海文的 STAR 探测器中。这个实验是第一个测量新型量子纠缠的实验。

在带正电和带负电的介子之间观察到的干涉模式是揭示不可避免但奇怪的结论的关键证据：每个 rho 粒子衰变中产生的带相反电荷的介子 - π +和 π -必须相互纠缠。

这些观察之所以成为可能，是因为所产生的 rho 粒子寿命短得惊人：平均寿命仅为 4 约秒，或 4 秒的七分之一秒。即使以光速，与它们之间的距离相比，这些粒子也会非常快地衰减，从而使π介子波函数的重叠非常大。

最重要的是，这种新形式的纠缠产生了直接的应用：测量在这些实验中几乎（但不完全）相互碰撞的重原子核的半径和结构。出现的自旋干涉模式来自这两个波函数的重叠，使研究人员能够确定半径是多少来描述每个原子核的胶子场的相互作用，对于金（Au-197）和铀（U -238). 金的 6.53 ± 0.06 fm 和铀的 7.29 ± 0.08 fm 的结果都明显大于您使用电荷特性测量每个原子核所期望的半径。

从两个高能重原子核的近距离通过产生两个短寿命的介子，导致产生两个π介子对，这证明了一种前所未有的形式的纠缠：在带相反电荷的粒子之间。

一项实验首次能够证明，不仅是相同的量子粒子可以纠缠在一起，而且带有相反电荷的粒子也可以。（π +和 π –，就其价值而言，是彼此的反粒子。）以接近光速的速度使两个重核非常靠近地通过的技术允许从每个核的电磁场产生光子, 与另一个原子核相互作用，偶尔形成一个 rho 粒子衰变成两个π介子。当两个原子核同时这样做时，就可以看到纠缠，并且可以测量原子核的半径。

同样值得注意的是，通过这种使用强力而不是电磁力的方法测量原子核的大小，与使用核电荷半径得到的结果不同，结果更大。作为这项研究的 主要作者，詹姆斯·勃兰登堡 (James Brandenburg) 说：“现在我们可以拍一张照片，在给定角度和 半径下，我们可以真正区分胶子的密度。这些图像非常精确，我们甚至可以开始看到质子和中子在这些大原子核中的分布位置之间的差异。” 我们现在有了一种很有前途的方法来探测这些复杂、重核的内部结构，毫无疑问，它很快就会有更多的应用。