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物理学家利用阿尔伯特·爱因斯坦称为“鬼魅般的超距作用”的量子连接，将 50 万个原子连接在一起，使它们的命运交织在一起。这些原子通过“纠缠”连接，这意味着对一个原子执行的动作会对其任何纠缠的原子产生反响，即使这些粒子相距很远。这个巨大的纠缠原子云是第一个“宏观自旋单态”，这是一种被预测但从未实现的新物质状态。
纠缠是奇怪的概率性量子力学规则的结果，似乎允许在长距离上存在一种令人毛骨悚然的瞬时连接，这种连接违背了我们宏观世界的规律（因此爱因斯坦的“鬼魅般的”评论）。自旋单态是纠缠的一种形式，其中多个粒子的自旋——它们的固有角动量——加起来等于 0，这意味着系统的总角动量为零。
实验人员使用铷原子，铷原子的自旋值恒定为 1。（所有粒子都具有不变的自旋值，这是一个量子特性，始终以不带单位的数字给出。） 一组这些原子要使自旋加起来为零（自旋单态的要求），唯一的办法是它们的自旋方向相互抵消。一旦两个或多个原子纠缠在自旋单态中，它们的自旋将始终等于零。这意味着，奇怪的是，如果改变一个原子的自旋方向，与其纠缠的原子将相应地立即改变它们的自旋，以保持总自旋为零的总和。
以这种方式纠缠如此庞大的原子群并非易事。首先，研究人员将原子冷却到 20 百万分之一开尔文——这是一个极低的温度，对于保持原子几乎完全静止是必要的；它们之间的任何碰撞都会扰乱它们的自旋。然后，为了确定原子的总自旋，研究人员进行了所谓的量子非破坏性测量——一种被动的了解量子系统的方法，可以避免改变其状态。（这是必要的，因为对量子系统的主动测量往往会扰乱其对象，不可逆转地改变正在测量的东西。）
为了进行非破坏性测量，科学家们向原子云发送了约 1 亿个光子（光粒子）的脉冲。这些光子具有精确计算的能量，因此它们不会激发原子，而是会通过。然而，光子本身受到了这次遭遇的影响。原子的自旋充当磁体，旋转光的极化或方向。通过测量光子穿过云后极化发生了多少变化，研究人员可以确定云原子的总自旋。
虽然测量没有改变粒子的自旋状态，但它确实具有使许多粒子相互纠缠的效果。研究人员假设原子最初的自旋指向随机方向。然而，在某些情况下，测量结果表明它们的总和为零。当这种情况发生时，测量结果以某种方式“锁定”了该净零结果，从而确保随后的测量结果将继续发现总自旋等于零。“测量本身以某种方式创建了单态，”巴塞罗那光子科学研究所的 Naeimeh Behbood 说。“它已经从没有纠缠的状态中创建了一个纠缠的状态。它如何做到这一点是量子力学的一个深刻奥秘。”
整个实验涉及大约 100 万个铷原子的云，但是被动测量无法准确量化其中有多少原子纠缠在一起。然而，为了使系统的总自旋等于零，测量的量子限制保证了至少有一半（50 万个原子）被纠缠。对于自旋单态来说，这仍然是一个创纪录的数字，并且是首次将整个原子纠缠成一个净自旋为零的宏观系统。（以前的实验对光子做到了这一点。）这项研究于 8 月 25 日发表在《物理评论快报》上。“我发现这是一个在基础研究和应用研究方面都非常重要的结果，”波恩大学的物理学家马可·科斯科雷克（Marco Koschorreck）说，他没有参与这项研究。他说，由于纠缠原子的自旋对磁操纵非常敏感，因此宏观自旋单态可用于感应磁场。
在不久的将来，研究人员希望更好地了解他们创造的新物质状态。例如，由于他们只知道云的总自旋，他们不知道单个原子是如何贡献自旋的。“例如，哪些原子纠缠在一起？”Behbood 问道。“是最近的邻居（彼此相邻的原子对）还是最远的原子——还是随机的？原子是以成对还是更大的组形成单态？” 这些问题可以帮助科学家更好地了解量子非破坏性如何产生纠缠以及如何出于实际目的操纵它。我们对纠缠的理解越多，它就越不“诡异”。