美国陆军研究实验室及其合作伙伴在理解具有远距离相互作用的量子系统中的纠缠结构方面取得了突破。

研究人员表示，纠缠是一种关键资源，可以用于超安全通信、“极其精确”的测量、精美的时钟和其他计时工具，以及具有前所未有能力的计算机。

量子力学，或支配微观世界的物理理论，预测了许多奇怪的和反直觉的行为，ARL的物理学家迈克尔·福斯-费格博士说。“不管这些行为看起来多么奇怪，但毫无疑问它们是真实的。在整个20世纪，量子力学的预测已经在许多微观系统的实验中得到了验证，比如单个原子。”

福斯-费格指出，在21世纪初，量子物理学中最令人兴奋的前沿之一是完全控制这种奇怪的行为，从而可以从宏观系统中剔除它，例如包含数百万个原子的超冷气体。他说，如果能够实现这一目标，将会有大量国防部相关应用随之而来。

该实验室与联合量子研究所和加州理工学院合作。他们的突破取决于理解一种被称为量子纠缠的奇怪行为。

在经典物理学中，描述两个物体的状态并不比描述一个物体的状态困难多少。“例如，如果你和我都有一个灯泡，我们想同时描述它们，我们可以说‘我的是亮的，你的是关的’，这样就能解决问题。”但如果这些灯泡纠缠在一起，那么就不能说它们是开着或关着的，而在某种意义上，每个灯泡都可以同时开着或关着。”“我们不能给每个灯泡指定一个‘开’或‘关’的明确状态，我们必须描述‘开’和‘关’的每种可能组合的可能性有多大。”

他说，在由许多量子物体组成的宏观系统中，纠缠的后果是深远的。

虽然描述许多灯泡的经典策略仍然很简单(“第一个是亮的，下一个是关的，最后一个是亮的”)，但要描述一组纠缠在一起的灯泡，就必须为灯泡被点亮的每一种可能方式分配一个可能性。因为许多灯泡的开关方式随着灯泡数量的增长而迅速增长(指数增长)，所以大型量子系统所包含的信息要比同等规模的经典系统多得多。这种奇怪的观察在大型量子系统执行困难任务的能力中起着至关重要的作用，但它也给描述和预测它们的行为带来了巨大的困难。

也许在过去的几十年里，对纠缠最深刻的洞察是灯泡的例子往往太天真了。

Foss-Feig说:“事实上，在‘合理的’物理系统中，纠缠模式可以形成一种简化的结构，比如那些粒子只在短距离内相互作用的系统。”“这种结构被称为‘面积定律’，它认为纠缠是一种局部性质。因此，大系统——如果它们遵守面积定律的话——并不比小系统难描述多少。这种结构也表明，如果我们想利用大型量子系统作为执行困难任务的工具，它可能有助于将它们设计得(至少稍微)‘不合理’。”

福斯-费格说，一种非常自然的方法是赋予量子系统远程相互作用。

他说:“例如，一种分子气体可以被电场极化，这样它们就可以作为微小的电偶极子在长距离内相互作用。”

但是，在一个系统打破面积定律之前，这些相互作用必须持续多长时间，这是联合研究团队希望回答的一个难题。

在最近发表在杂志上的一篇论文中物理评论快报，研究人员向答案迈出了重要的第一步，他们提供了数学证明，证明只要相互作用不是太长，具有远程相互作用的系统仍然遵守面积定律。这项工作有助于确定区分量子系统的难以捉摸的界线，这些量子系统可以被有效描述，而不能被描述。在未来，作者希望利用这个证明的结构，更好地理解工程量子系统所需的最小成分，拥有更多(和更复杂)的纠缠。

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