量子糾纏秘密大揭曉：革命性顯微技術問世

科學家研發出「糾纏顯微鏡技術」，此技術能在微觀層面繪製量子糾纏圖譜。透過研究粒子間的深層關聯，研究人員如今得以窺見量子物質的隱藏結構，為粒子相互作用帶來全新視角，有望徹底改變科技，並深化我們對宇宙的理解。

量子糾纏是一種極為迷人的現象，即便粒子相隔遙遠，仍會神秘地相互連結。要理解這種連結在複雜量子系統中的運作方式，一直是物理學界長期以來的挑戰。

香港大學（港大）物理系的研究人員及其合作夥伴，近期研發出一種稱為「糾纏顯微鏡技術」的創新演演算法。這項突破性技術讓科學家能在微觀層面視覺化並繪製糾纏圖。透過仔細研究糾纏粒子間的微妙相互作用，此方法揭示了量子物質內部的隱藏結構，提供了嶄新見解，有望革新科技，並拓展我們對宇宙的認知。

這項研究由港大物理系的孟硏教授領銜，其博士生王庭東和宋夢涵共同參與，並與蒙特利爾大學的威廉·維查克 - 克倫帕教授及博士生呂柳可合作完成。研究揭示了多體系統中量子糾纏的隱藏結構，為量子物質的行為提供了全新觀點。其研究成果近期發表於享有盛譽的《自然通訊》期刊。

量子糾纏描述了粒子間的一種深度連結，即便相隔遙遠，一個粒子的狀態也能立即與另一個粒子相連。想像一下在不同地方擲兩顆骰子，量子糾纏就像是發現其中一顆骰子的結果總能決定另一顆的結果，不論它們相距多遠。愛因斯坦曾將此現象戲稱為「鬼魅般的超距作用」，它不只是理論上的奇思妙想，更是量子計算、密碼學，以及對奇異材料和黑洞研究等技術的基礎。然而，由於量子多體系統自由度呈指數級增長，要從分析和數值角度獲取糾纏資訊，本質上相當困難。

研究人員開發出「糾纏顯微鏡技術」以應對此挑戰。這是一種基於大規模量子蒙特卡羅模擬的創新方法，能成功提取量子系統小區域內的量子糾纏資訊。透過聚焦於這些微觀區域，此方法揭示了粒子如何以微妙方式相互作用和組織，尤其是在量子相變的臨界點附近，量子系統在此時會發生行為上的深刻變化。

他們的研究聚焦於二維空間的兩個重要模型：橫向場伊辛模型，以及實現狄拉克費米子的格羅斯 - 內夫 - 湯川轉變的費米子t-V模型。每個模型都為量子糾纏的本質帶來了引人入勝的見解。研究人員發現，在伊辛量子臨界點，糾纏是短程的，即粒子僅在短距離內相互連結。由於距離或溫度的變化，這種連結可能會突然消失，此現象稱為「猝死」。相比之下，對費米子轉變的研究顯示，即便粒子間距離更遠，糾纏也會更為漸進地衰減，這表明粒子即便相隔甚遠仍能維持連結。

有趣的是，研究團隊發現，在二維伊辛轉變中不存在三方糾纏，但在一維系統中卻存在。這意味著系統的維度對糾纏行為有重大影響。簡單來說，低維系統就像一小群朋友，更有可能形成深度連結（複雜的多粒子糾纏）。相反，高維系統就像更大、更複雜的社交網路，往往會抑制這種連結。這些發現為理解糾纏結構如何隨著系統複雜度增加而改變，提供了重要線索。

這項突破對推進量子技術具有重大意義。透過更清晰地理解糾纏，它有助於最佳化量子計算硬體和演演算法，使密碼學和人工智慧等領域能更快解決問題。它也為設計用於能源、電子和超導性等領域的下一代量子材料開闢了道路。此外，此工具能深化我們對基礎物理學的理解，並改進化學和生物學中的量子模擬。

相關研究成果詳細發表於《自然通訊》期刊上的論文《多體系統中的糾纏顯微鏡技術和斷層掃描》。

參考文獻：《多體系統中的糾纏顯微鏡技術和斷層掃描》，作者王庭東、宋夢涵、呂柳可、威廉·維查克 - 克倫帕和孟硏，2025年1月2日發表於《自然通訊》。DOI：10.1038/s41467-024-55354-z