圖1 “量子糾纏”可以預(yù)測相隔甚遠(yuǎn)的一對量子的狀態(tài)，即便二者遠(yuǎn)在天涯，其行為也相互關(guān)聯(lián)
“糾纏”這一概念最早是薛定諤提出的。薛定諤雖是量子力學(xué)的創(chuàng)始人之一，可是量子力學(xué)的哥本哈根詮釋卻并不令他滿意。1935年，薛定諤提出了一個(gè)思想實(shí)驗(yàn)來反對這一詮釋，從此，薛定諤貓便一路走紅。懂或不懂量子力學(xué)的人都會聊上兩句。
圖2 薛定諤關(guān)于量子糾纏的思想實(shí)驗(yàn)
無獨(dú)有偶，信奉“因果律”和“定域性”的愛因斯坦也是一直對量子力學(xué)諸多不滿，與他的摯友玻爾關(guān)于量子力學(xué)的完備性問題爭論多年。同是在1935年，愛因斯坦與B. Podolsky、N. Rosen合作對量子力學(xué)的定域性問題提出了質(zhì)疑（EPR佯謬）。“Spooky action at a distance”（鬼魅般的超距作用），也成為愛因斯坦對量子力學(xué)非定域性表示不滿的標(biāo)志性語句。
時(shí)至今日，量子糾纏和非定域性依然是量子力學(xué)中最令人迷惑和令人興奮的內(nèi)容。量子信息的傳輸、量子計(jì)算的實(shí)現(xiàn)，有賴于我們對于糾纏和非定域性的理解。本期PR封面故事，帶你了解耦合腔中的量子糾纏和非定域性。
作為一種奇特的量子現(xiàn)象，糾纏是如此的重要，使得我們必須仔細(xì)研究其特性。但是，目前無任何儀器能夠直接測量系統(tǒng)的量子糾纏。基于眾所周知的貝爾不等式，理論和實(shí)驗(yàn)均已揭示與經(jīng)典關(guān)聯(lián)相悖的量子糾纏現(xiàn)象的存在。研究系統(tǒng)的糾纏有助于我們理解這一復(fù)雜現(xiàn)象的非定域性。這些特性使得量子糾纏成為量子信息科學(xué)的基礎(chǔ)。
為研究量子糾纏的特征，南京大學(xué)固體微結(jié)構(gòu)物理國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室和物理學(xué)院王慧田教授所領(lǐng)導(dǎo)的光場調(diào)控團(tuán)隊(duì)開展了每個(gè)腔僅嵌入一個(gè) Λ 型三能級原子的兩腔耦合系統(tǒng)的量子糾纏與非定域性問題的研究。相關(guān)研究結(jié)果發(fā)表于Photonics Research 2017年第5卷第3期上。
圖3 兩耦合腔系統(tǒng)中的量子糾纏和非定域性，其中每個(gè)腔中僅嵌入一個(gè)Λ型三能級原子，而且兩體相互耦合。
耦合腔系統(tǒng)，因允許對量子系統(tǒng)狀態(tài)的操控，而成為研究量子糾纏的一類最佳候選對象。在該項(xiàng)研究中，耦合腔系統(tǒng)的每個(gè)腔僅嵌入一個(gè) Λ 型三能級原子。雖然交叉態(tài)、純原子態(tài)和全光子態(tài)依據(jù)參數(shù)的不同而扮演不同的角色，但是基于馮諾依曼熵方法它們均與系統(tǒng)熵相關(guān)。
兩體糾纏熵和非定域性的研究結(jié)果無疑證實(shí)了基態(tài)糾纏的存在。然而，隨著失諧的變化，不同腔中的光子糾纏可能變得很小，以至于經(jīng)典效應(yīng)在實(shí)驗(yàn)中扮演一個(gè)重要甚至主要的角色。
王慧田教授相信，該工作不僅對理解和探索多腔耦合系統(tǒng)中的多體糾纏和非定域性具有重要的參考意義，而且有助于增強(qiáng)量子操控的能力。
下一步的工作目標(biāo)是將該方法推廣到嵌入Λ 型三能級原子的多腔耦合系統(tǒng)，以及嵌入其它類型三能級原子的兩腔和多腔耦合系統(tǒng)中去。
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