鑽石一直以來都有成對出售——例如，鑲嵌在精美的耳環中。但物理學家現在將這種配對提升到了一個新的水平，在量子層面連線了兩顆鑽石。
一組研究人員在12月2日出版的《科學》雜誌上報告稱，他們成功地糾纏了相隔15釐米的兩顆鑽石的量子態。量子糾纏是一種現象，其中兩個或多個物體共享一個看不見的連線，橋接它們之間的空間——例如，一對假設的糾纏骰子，即使在不同的地方同時擲出，也總是會擲出相同的數字。
但這種連線是脆弱的，並且可能被許多外部因素破壞。因此，物理系統上的糾纏實驗通常在高度受控的實驗室環境中進行——例如，糾纏一對冷卻到接近絕對零度的孤立原子。
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在新的研究中，來自牛津大學、加拿大國家研究委員會和新加坡國立大學 (NUS) 的研究人員表明，糾纏也可以在室溫下的宏觀物體中實現。“我們所做的是證明，對於更標準的日常物體——如果鑽石可以被認為是日常物體的話，這是可能的，”研究合著者伊恩·沃爾姆斯利說，他是牛津大學的實驗物理學家。“有可能將它們置於這些量子態中，這些量子態通常與這些工程物體相關聯，如果你願意的話——這些密切管理的物體。”
為了糾纏相對較大的物體，沃爾姆斯利和他的同事利用了鑽石的集體特性：其晶格的振動狀態。透過用光脈衝照射鑽石，研究人員可以在鑽石中誘導振動，產生一種稱為聲子的激發——振動能量的量子。研究人員可以透過檢查脈衝離開時的光線來判斷鑽石是否包含聲子。由於脈衝已將其能量的一小部分沉積在晶體中，因此出射光子之一的能量較低，因此波長比入射脈衝的光子更長。
沃爾姆斯利和他的同事設定了一個實驗，試圖使用聲子糾纏兩顆不同的鑽石。他們使用了兩塊合成生產的方形鑽石，每塊直徑三毫米。雷射脈衝被分束器分成兩束，穿過鑽石；任何從鑽石散射出來產生聲子的光子都被匯入光子探測器。到達探測器的一個這樣的光子表示鑽石中存在聲子。
但由於實驗設計，無法知道哪顆鑽石在振動。“我們知道在那個裝置的某個地方，存在一個聲子，”沃爾姆斯利說。“但我們甚至在原則上都無法判斷，它是來自左側的鑽石還是右側的鑽石。” 實際上，在量子力學術語中，聲子並不侷限於任何一顆鑽石。相反，兩顆鑽石進入糾纏態，它們之間共享一個聲子。
為了驗證糾纏的存在，研究人員進行了一項測試，以檢查鑽石是否獨立作用。畢竟，在沒有糾纏的情況下，一半的雷射脈衝可能會使左側的鑽石振動，而另一半可能會作用於右側的鑽石，兩個物體之間沒有量子關聯。如果是這種情況，那麼聲子將完全侷限於一顆鑽石。
另一方面，如果聲子確實由兩顆糾纏的鑽石共享，那麼聲子的任何可檢測到的效應都可能帶有兩個物體的印記。因此，研究人員向鑽石發射了第二個光脈衝，目的是使振動去激發，併產生一個訊號光子，表明聲子已從系統中移除。聲子的振動能量給光脈衝帶來了提升，產生了一個能量更高或波長更短的光子，而不是入射光子，並在過程中消除了聲子。
再一次，無法知道是哪顆鑽石產生了光子，因為從每顆鑽石到探測器的路徑都合併了，因此無法知道聲子在哪裡。但研究人員發現，從鑽石到探測器的每條光子路徑都對另一條路徑產生了干擾效應——調整兩條路徑的連線方式會影響探測器中的光子計數。本質上，到達探測器的單個光子攜帶了有關兩條路徑的資訊。因此，不能說它從一顆鑽石的一條路徑傳播下來：光子，就像產生它的振動聲子一樣，來自兩顆鑽石。
在反覆執行實驗以收集具有統計意義的結果後，研究人員有信心地得出結論，糾纏確實已經實現。“我們不能 100% 確定它們是糾纏的，但我們的統計分析表明，我們有 98% 的信心，我們認為這是一個非常好的結果，”沃爾姆斯利說。
使用聲子進行宏觀糾纏的缺點是它們持續時間不長——在鑽石中只有七皮秒，即七萬億分之一秒。因此，實驗者必須依靠極快的光脈衝來進行他們的實驗，建立具有聲子的糾纏態，然後在 0.35 皮秒後用第二個脈衝阻尼聲子以測試糾纏。
由於這種短暫性，這種糾纏方案可能不會取代使用光子或單個原子的更成熟的技術，但沃爾姆斯利希望研究人員會考慮在量子技術中使用相當普通的室溫材料的可能性。“我認為這給出了一個新的場景和一個新的例項化，有助於指向那個方向，”他說。
事實上，這項新研究只是最新的研究，展示了量子力學如何在現實世界的宏觀系統中應用。牛津大學和新加坡國立大學物理學家弗拉特科·韋德拉爾（Vlatko Vedral）沒有參與這項新研究，他說它“漂亮地說明”了奧地利物理學家埃爾溫·薛定諤著名的思想實驗的要點，其中一隻假想的貓同時處於活著和死亡的狀態。“不可能是糾纏存在於微觀層面（例如光子），但不存在於宏觀層面（例如鑽石），”因為這些世界相互作用，韋德拉爾在一封電子郵件中寫道。“薛定諤使用原子代替光子，貓代替鑽石，但重點是一樣的。”