單磁振檢測(cè)器中感興趣模式的示意圖。鐵磁晶體中的集體自旋激發(fā)的統(tǒng)一處理模式稱為Kittel模式，通過(guò)微波腔模式相干耦合到超導(dǎo)量子位。圖片來(lái)源：?Dany Lachance-Quirion

東京大學(xué)先進(jìn)科學(xué)技術(shù)研究中心（RCAST）的科學(xué)家展示了一種通過(guò)奇異的量子糾纏力將磁球與傳感器耦合的方法。他們表明，通過(guò)一次測(cè)量就可以檢測(cè)到球中甚至存在單個(gè)磁激發(fā)。這項(xiàng)工作代表了可以與磁性材料相互作用的量子系統(tǒng)的重大進(jìn)步。

想象一下，如果有一個(gè)傳感器足夠強(qiáng)大，可以一次掃地告訴您附近的干草堆中是否裝有針頭。這樣的設(shè)備似乎只可能存在于科幻小說(shuō)中，但是，利用量子力學(xué)最與直覺(jué)相反的效果之一，這種靈敏度水平可以成為現(xiàn)實(shí)。糾纏是量子力學(xué)核心的奇異過(guò)程，它允許鏈接的粒子在很長(zhǎng)的距離內(nèi)立即相互作用，它曾經(jīng)被愛(ài)因斯坦稱為“遠(yuǎn)距離的詭異動(dòng)作”。

實(shí)驗(yàn)已經(jīng)證實(shí)，量子力學(xué)允許這樣的情況，即系統(tǒng)的各個(gè)部分不再可以單獨(dú)描述，而是從根本上被糾纏在一起，從而對(duì)一個(gè)部分的測(cè)量會(huì)自動(dòng)確定另一個(gè)部分的命運(yùn)。例如，兩個(gè)電子可能發(fā)生糾纏，因此它們都指向上方或指向下方，因此立即測(cè)量一個(gè)會(huì)影響另一個(gè)電子的狀態(tài)。第一作者Dany Lachance-Quirion博士說(shuō)：“糾纏已經(jīng)在量子力學(xué)教科書中使用了數(shù)十年，但是生產(chǎn)帶有它的非常靈敏的探測(cè)器的應(yīng)用才剛剛開始實(shí)現(xiàn)。”

在RCAST上進(jìn)行的實(shí)驗(yàn)中，一毫米大小的釔鐵石榴石球體與作為傳感器的超導(dǎo)約瑟夫森結(jié)量子位放在同一諧振腔中。由于球體與諧振腔以及腔體與量子位之間的耦合，如果球中不存在磁激發(fā)，則只能通過(guò)電磁脈沖來(lái)激發(fā)量子位。然后，讀取量子位的狀態(tài)即可揭示球體的狀態(tài)。

“通過(guò)使用單次檢測(cè)而不是平均，我們可以使我們的設(shè)備既靈敏又快速”，中村康信教授解釋說(shuō)�！斑@項(xiàng)研究可能會(huì)為功能強(qiáng)大的傳感器開辟道路，以幫助尋找理論上稱為黑軸的暗物質(zhì)粒子。”

這項(xiàng)工作在《科學(xué)》雜志上發(fā)表，名稱為“基于糾纏的具有超導(dǎo)量子位的單個(gè)磁振子的單發(fā)檢測(cè)”。