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物理學家利用阿爾伯特·愛因斯坦稱為“鬼魅般的超距作用”的量子連線，將 50 萬個原子連線在一起，使它們的命運交織在一起。這些原子透過“糾纏”連線，這意味著對一個原子執行的動作會對其任何糾纏的原子產生反響，即使這些粒子相距很遠。這個巨大的糾纏原子雲是第一個“宏觀自旋單態”，這是一種被預測但從未實現的新物質狀態。
糾纏是奇怪的機率性量子力學規則的結果，似乎允許在長距離上存在一種令人毛骨悚然的瞬時連線，這種連線違背了我們宏觀世界的規律（因此愛因斯坦的“鬼魅般的”評論）。自旋單態是糾纏的一種形式，其中多個粒子的自旋——它們的固有角動量——加起來等於 0，這意味著系統的總角動量為零。
實驗人員使用銣原子，銣原子的自旋值恆定為 1。（所有粒子都具有不變的自旋值，這是一個量子特性，始終以不帶單位的數字給出。） 一組這些原子要使自旋加起來為零（自旋單態的要求），唯一的辦法是它們的自旋方向相互抵消。一旦兩個或多個原子糾纏在自旋單態中，它們的自旋將始終等於零。這意味著，奇怪的是，如果改變一個原子的自旋方向，與其糾纏的原子將相應地立即改變它們的自旋，以保持總自旋為零的總和。
以這種方式糾纏如此龐大的原子群並非易事。首先，研究人員將原子冷卻到 20 百萬分之一開爾文——這是一個極低的溫度，對於保持原子幾乎完全靜止是必要的；它們之間的任何碰撞都會擾亂它們的自旋。然後，為了確定原子的總自旋，研究人員進行了所謂的量子非破壞性測量——一種被動的瞭解量子系統的方法，可以避免改變其狀態。（這是必要的，因為對量子系統的主動測量往往會擾亂其物件，不可逆轉地改變正在測量的東西。）
為了進行非破壞性測量，科學家們向原子雲傳送了約 1 億個光子（光粒子）的脈衝。這些光子具有精確計算的能量，因此它們不會激發原子，而是會透過。然而，光子本身受到了這次遭遇的影響。原子的自旋充當磁體，旋轉光的極化或方向。透過測量光子穿過雲後極化發生了多少變化，研究人員可以確定雲原子的總自旋。
雖然測量沒有改變粒子的自旋狀態，但它確實具有使許多粒子相互糾纏的效果。研究人員假設原子最初的自旋指向隨機方向。然而，在某些情況下，測量結果表明它們的總和為零。當這種情況發生時，測量結果以某種方式“鎖定”了該淨零結果，從而確保隨後的測量結果將繼續發現總自旋等於零。“測量本身以某種方式建立了單態，”巴塞羅那光子科學研究所的 Naeimeh Behbood 說。“它已經從沒有糾纏的狀態中建立了一個糾纏的狀態。它如何做到這一點是量子力學的一個深刻奧秘。”
整個實驗涉及大約 100 萬個銣原子的雲，但是被動測量無法準確量化其中有多少原子糾纏在一起。然而，為了使系統的總自旋等於零，測量的量子限制保證了至少有一半（50 萬個原子）被糾纏。對於自旋單態來說，這仍然是一個創紀錄的數字，並且是首次將整個原子糾纏成一個淨自旋為零的宏觀系統。（以前的實驗對光子做到了這一點。）這項研究於 8 月 25 日發表在《物理評論快報》上。“我發現這是一個在基礎研究和應用研究方面都非常重要的結果，”波恩大學的物理學家馬可·科斯科雷克（Marco Koschorreck）說，他沒有參與這項研究。他說，由於糾纏原子的自旋對磁操縱非常敏感，因此宏觀自旋單態可用於感應磁場。
在不久的將來，研究人員希望更好地瞭解他們創造的新物質狀態。例如，由於他們只知道雲的總自旋，他們不知道單個原子是如何貢獻自旋的。“例如，哪些原子糾纏在一起？”Behbood 問道。“是最近的鄰居（彼此相鄰的原子對）還是最遠的原子——還是隨機的？原子是以成對還是更大的組形成單態？” 這些問題可以幫助科學家更好地瞭解量子非破壞性如何產生糾纏以及如何出於實際目的操縱它。我們對糾纏的理解越多，它就越不“詭異”。