钻石一直以来都有成对出售——例如，镶嵌在精美的耳环中。但物理学家现在将这种配对提升到了一个新的水平，在量子层面连接了两颗钻石。
一组研究人员在12月2日出版的《科学》杂志上报告称，他们成功地纠缠了相隔15厘米的两颗钻石的量子态。量子纠缠是一种现象，其中两个或多个物体共享一个看不见的连接，桥接它们之间的空间——例如，一对假设的纠缠骰子，即使在不同的地方同时掷出，也总是会掷出相同的数字。
但这种连接是脆弱的，并且可能被许多外部因素破坏。因此，物理系统上的纠缠实验通常在高度受控的实验室环境中进行——例如，纠缠一对冷却到接近绝对零度的孤立原子。
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在新的研究中，来自牛津大学、加拿大国家研究委员会和新加坡国立大学 (NUS) 的研究人员表明，纠缠也可以在室温下的宏观物体中实现。“我们所做的是证明，对于更标准的日常物体——如果钻石可以被认为是日常物体的话，这是可能的，”研究合著者伊恩·沃尔姆斯利说，他是牛津大学的实验物理学家。“有可能将它们置于这些量子态中，这些量子态通常与这些工程物体相关联，如果你愿意的话——这些密切管理的物体。”
为了纠缠相对较大的物体，沃尔姆斯利和他的同事利用了钻石的集体特性：其晶格的振动状态。通过用光脉冲照射钻石，研究人员可以在钻石中诱导振动，产生一种称为声子的激发——振动能量的量子。研究人员可以通过检查脉冲离开时的光线来判断钻石是否包含声子。由于脉冲已将其能量的一小部分沉积在晶体中，因此出射光子之一的能量较低，因此波长比入射脉冲的光子更长。
沃尔姆斯利和他的同事设置了一个实验，试图使用声子纠缠两颗不同的钻石。他们使用了两块合成生产的方形钻石，每块直径三毫米。激光脉冲被分束器分成两束，穿过钻石；任何从钻石散射出来产生声子的光子都被导入光子探测器。到达探测器的一个这样的光子表示钻石中存在声子。
但由于实验设计，无法知道哪颗钻石在振动。“我们知道在那个装置的某个地方，存在一个声子，”沃尔姆斯利说。“但我们甚至在原则上都无法判断，它是来自左侧的钻石还是右侧的钻石。” 实际上，在量子力学术语中，声子并不局限于任何一颗钻石。相反，两颗钻石进入纠缠态，它们之间共享一个声子。
为了验证纠缠的存在，研究人员进行了一项测试，以检查钻石是否独立作用。毕竟，在没有纠缠的情况下，一半的激光脉冲可能会使左侧的钻石振动，而另一半可能会作用于右侧的钻石，两个物体之间没有量子关联。如果是这种情况，那么声子将完全局限于一颗钻石。
另一方面，如果声子确实由两颗纠缠的钻石共享，那么声子的任何可检测到的效应都可能带有两个物体的印记。因此，研究人员向钻石发射了第二个光脉冲，目的是使振动去激发，并产生一个信号光子，表明声子已从系统中移除。声子的振动能量给光脉冲带来了提升，产生了一个能量更高或波长更短的光子，而不是入射光子，并在过程中消除了声子。
再一次，无法知道是哪颗钻石产生了光子，因为从每颗钻石到探测器的路径都合并了，因此无法知道声子在哪里。但研究人员发现，从钻石到探测器的每条光子路径都对另一条路径产生了干扰效应——调整两条路径的连接方式会影响探测器中的光子计数。本质上，到达探测器的单个光子携带了有关两条路径的信息。因此，不能说它从一颗钻石的一条路径传播下来：光子，就像产生它的振动声子一样，来自两颗钻石。
在反复运行实验以收集具有统计意义的结果后，研究人员有信心地得出结论，纠缠确实已经实现。“我们不能 100% 确定它们是纠缠的，但我们的统计分析表明，我们有 98% 的信心，我们认为这是一个非常好的结果，”沃尔姆斯利说。
使用声子进行宏观纠缠的缺点是它们持续时间不长——在钻石中只有七皮秒，即七万亿分之一秒。因此，实验者必须依靠极快的光脉冲来进行他们的实验，创建具有声子的纠缠态，然后在 0.35 皮秒后用第二个脉冲阻尼声子以测试纠缠。
由于这种短暂性，这种纠缠方案可能不会取代使用光子或单个原子的更成熟的技术，但沃尔姆斯利希望研究人员会考虑在量子技术中使用相当普通的室温材料的可能性。“我认为这给出了一个新的场景和一个新的实例化，有助于指向那个方向，”他说。
事实上，这项新研究只是最新的研究，展示了量子力学如何在现实世界的宏观系统中应用。牛津大学和新加坡国立大学物理学家弗拉特科·韦德拉尔（Vlatko Vedral）没有参与这项新研究，他说它“漂亮地说明”了奥地利物理学家埃尔温·薛定谔著名的思想实验的要点，其中一只假想的猫同时处于活着和死亡的状态。“不可能是纠缠存在于微观层面（例如光子），但不存在于宏观层面（例如钻石），”因为这些世界相互作用，韦德拉尔在一封电子邮件中写道。“薛定谔使用原子代替光子，猫代替钻石，但重点是一样的。”