量子粒子如何交换信息？关于量子信息的一个耐人寻味的假说最近通过维也纳大学的实验验证得到了验证。如果你从人群中随机挑选一个人，他的身高明显高于平均水平，那么这个人很可能也会超过平均体重。这是因为，从统计学角度来看，对一个变量的了解往往能让我们对另一个变量有一些了解。
装有原子芯片的真空室。资料来源：托马斯-施威格勒，维也纳大学
量子物理学将这些相关性提升到另一个层次，在不同的数量之间建立更有力的联系：一个巨大的量子系统中的不同粒子或片段可以”共享”特定数量的信息。这一耐人寻味的理论前提表明，这种”相互信息”的计算竟然不受系统整体体积的影响，而只受其表面影响。
这一令人惊讶的结果已在维也纳大学得到实验证实，并发表在《自然-物理学》上。对该实验及其解释的理论投入来自位于Garching的Max-Planck-Institut für Quantenoptik、FU Berlin、苏黎世联邦理工大学和纽约大学。
量子信息： 比经典物理学允许的更强的联系
维也纳量子科技中心（VCQ）–维也纳大学Atominstitut的穆罕默德-塔吉克（Mohammadamin Tajik）是本出版物的第一作者，他说：”让我们想象一个气体容器，里面的小颗粒飞来飞去，以一种非常经典的方式像小球一样行事。如果系统处于平衡状态，那么在容器的不同区域的粒子对彼此一无所知。人们可以认为它们是完全相互独立的。因此，可以说这两个粒子共享的相互信息是零。”
然而，在量子世界中，事情是不同的：如果粒子的行为是量子化的，那么可能发生的情况是，你不能再认为它们是相互独立的。它们在数学上是相通的–如果不对另一个粒子说些什么，你就无法有意义地描述一个粒子。
“对于这种情况，早就有一个关于多体量子系统的不同子系统之间共享的相互信息的预测，”穆罕默德-塔吉克解释说。”在这样的量子气体中，共享的相互信息大于零，而且它不取决于子系统的大小–而只取决于子系统的外部边界面。”
这个预言在直觉上似乎很奇怪： 在经典的世界里，情况是不同的。例如，一本书中包含的信息取决于其体积–而不仅仅是书的封面面积。然而，在量子世界里，信息往往与表面积密切相关。
用超冷原子进行测量
由Jörg Schmiedmayer教授领导的一个国际研究小组现在首次证实，多体量子系统中的相互信息与表面积而非体积成正比。为此，他们研究了一团超冷的原子。这些粒子被冷却到略高于绝对零度的温度，并被一个原子芯片固定在那里。在极低的温度下，粒子的量子特性变得越来越重要。信息在系统中扩散得越来越多，整个系统中各个部分之间的联系也变得越来越重要。在这种情况下，该系统可以用量子场理论来描述。
“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，就像量子物理学允许的那样。为此，我们开发了一种特殊的断层扫描技术。我们通过对原子进行一点点的扰动，然后观察所产生的动态，来获得我们所需要的信息。这就像把一块石头扔进一个池塘，然后从随之而来的波浪中获得关于液体和池塘状态的信息。”
只要系统的温度没有达到绝对零度（这是不可能的），这种”共享信息”的范围是有限的。在量子物理学中，这与”相干长度”有关–它表示粒子在量子上有类似行为的距离，从而彼此了解。
“这也解释了为什么共享信息在经典气体中并不重要，”穆罕默德-塔吉克说。”在一个经典的多体系统中，相干性消失了；你可以说粒子不再知道关于它们相邻粒子的任何事情。”温度和相干长度对相互信息的影响也在实验中得到证实。
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，该实验结果与各种研究领域相关–从固态物理到引力的量子物理研究。
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