首次测量到的悖论量子现象
有些事情是相关的，有些则不是。假设您从人群中随机选择一个明显高于平均水平的人。在这种情况下，他们的体重很可能也会超过平均水平。从统计学上讲，一个量也包含有关另一个的一些信息。
量子物理学允许不同量之间建立更强大的联系：不同粒子或广泛量子系统的不同部分可以“共享”一定量的信息。对此有一些奇怪的理论预测：令人惊讶的是，这种“互信息”的度量并不取决于系统的大小，而只取决于它的表面。这一令人惊讶的结果已在 TU Wien 得到实验证实，并发表在《自然物理学》上。实验的理论输入及其解释来自加兴马克斯普朗克量子研究所、柏林联邦大学、苏黎世联邦理工学院和纽约大学。
量子信息：比经典物理学允许的连接更紧密
“让我们想象一个气体容器，小颗粒在其中飞来飞去，并以非常经典的方式表现得像小球体，”维也纳量子科学与技术中心 (VCQ) 的 Mohammadamin Tajik 说。出版物。“如果系统处于平衡状态，那么容器不同区域的粒子彼此之间一无所知。可以认为它们彼此完全独立。因此，可以说这两个粒子共享的互信息为零。”
然而，在量子世界中，情况有所不同：如果粒子的行为是量子的，那么你可能无法再将它们相互独立地考虑。它们在数学上是相互联系的——你不能在不谈论另一个的情况下有意义地描述一个粒子。
“对于这种情况，长期以来一直预测多体量子系统的不同子系统之间共享互信息，”Mohammadamin Tajik 解释道。“在这样的量子气体中，共享互信息大于零，并且不依赖于子系统的大小——而只依赖于子系统的外边界表面。”
这个预测在直觉上似乎很奇怪：在古典世界中，它是不同的。例如，一本书中包含的信息取决于它的体积——而不仅仅是书籍封面的面积。然而，在量子世界中，信息通常与表面积密切相关。
超冷原子测量
由 Jörg Schmiedmayer 教授领导的国际研究团队现已首次证实，多体量子系统中的互信息与表面积而非体积成比例。为此，他们研究了超冷原子云。粒子被冷却到刚好高于绝对零温度，并由原子芯片固定在适当的位置。在极低的温度下，粒子的量子特性变得越来越重要。信息在系统中越来越分散，整个系统各个部分之间的联系也越来越重要。在这种情况下，系统可以用量子场论来描述。
“这个实验非常具有挑战性，”Jörg Schmiedmayer 说。“我们需要关于我们的量子系统的完整信息，在量子物理学允许的范围内做到最好。为此，我们开发了一种特殊的层析成像技术。我们通过稍微扰动原子然后观察由此产生的动力学来获得我们需要的信息。就像将一块石头扔进池塘，然后从随之而来的波浪中获取有关液体和池塘状态的信息。”
只要系统的温度没有达到绝对零(这是不可能的)，这种“共享信息”的范围就有限。在量子物理学中，这与“相干长度”有关——它表示粒子在量子行为上相似并因此相互了解的距离。“这也解释了为什么共享信息在经典气体中无关紧要，”Mohammadamin Tajik 说。“在经典的多体系统中，相干性消失了;你可以说粒子不再了解它们的相邻粒子。” 实验也证实了温度和相干长度对互信息的影响。
量子信息在当今量子物理学的许多技术应用中起着至关重要的作用。因此，实验结果与各个研究领域相关——从固态物理学到引力的量子物理研究。
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