纠缠是一种量子现象，其中两个或多个粒子的属性以某种方式相互关联，人们无法单独描述单个粒子的性质，只能描述整体系统的性质。粒子的纠缠最终决定了材料的性质，但人们却很难理解“纠缠”。据最新一期《自然》杂志报道，奥地利因斯布鲁克大学和奥地利科学院量子光学和量子信息研究所研究人员开创了一种新方法，首次通过实验证实了量子场论的预测，该方法可显著提高对量子材料中纠缠的研究和理解。

为了描述大型量子系统并从中提取有关纠缠的信息，人们需要执行不可能完成的大量测量工作。新开发的一种更有效的描述方法让研究人员只需进行极少的测量次数，就能从系统中提取纠缠信息。

在一个有51个粒子的离子陷阱量子模拟器中，研究人员用粒子逐一模仿了一种真实材料，并在受控的实验室环境中对其进行研究。在此过程中，研究人员首次见证了以前仅从理论上描述的效果。

在量子材料中，粒子可或多或少地强烈纠缠。对强纠缠粒子的测量只能产生随机结果。如果测量结果波动很大，那么将这种现象称为“热”；如果某个结果的概率增加，那它就是一个“冷的”量子物体。只有对所有纠缠物体的测量才能揭示确切的状态。在由非常多的粒子组成的系统中，测量的工作量大大增加。量子场论预测，一个由许多纠缠粒子组成的系统的子区域可以被分配一个温度分布。这些分布可用来推导粒子的纠缠程度。

在因斯布鲁克大学的量子模拟器中，这些温度分布是通过计算机和量子系统之间的反馈回路确定的，计算机不断生成新的分布，并将它们与实验中的实际测量结果进行比较。研究人员获得的温度分布图显示，与环境相互作用强烈的粒子是“热的”，而相互作用很小的粒子是“冷的”。

这一研究完全符合人们的预期，即在粒子之间相互作用强烈的地方，纠缠尤其强烈。新方法为研究相关量子物质中的大规模纠缠提供了强大的工具，也为使用现有量子模拟器来研究一类新的物理现象打开了大门。

文/记者 张佳欣

编辑/高艳