2026年5月29日——量子纠缠是一种粒子相互缠绕的状态。在这种纠缠状态下，一个粒子的特性会影响另一个粒子，即使它们彼此并不靠近。这一现象通常已在仅包含少量粒子的微观量子系统中被观察到，研究人员可以利用它来存储和处理量子信息。莱斯大学教授亓妙（Qimiao Si）感兴趣的是理解并将量子纠缠应用于包含大量粒子的宏观系统中。

在最近发表于《自然通讯》的一篇论文中，亓妙描述了一种方法，该方法不仅能更好地理解量子材料中的量子纠缠，还能使量子纠缠更易于在宏观系统中应用。他的理论认为，可以通过将量子材料与量子光耦合来实现这一点。

“在这一理论中，通过将物质放置在一个小型反射腔中，并推动其接近所谓的量子临界点，我们就可以引入光子，并在光子-物质混合体中诱导出量子纠缠，”亓妙说。他是Harry C. and Olga K. Wiess物理学与天文学教授，也是极端量子材料联盟的主任。

长期以来，制造这种腔光子-物质混合体一直是一个挑战。理论研究表明，为了发生混合，光和物质必须具有非常强的相互作用，而这在工程上很难实现。然而，这一新理论提出，通过使材料接近其量子临界点，可以降低进入这种混合纠缠态的阈值。

“你可以把量子临界点看作一个材料可以在两个不同量子相之间‘选择’的点，”莱斯大学研究生、该研究共同第一作者王翊铭（Yiming Wang）说。“材料处于一个相中。只有达到量子临界点，它才能转变到第二个相。”

在这一新理论中，研究人员可以通过非热方法（例如施加压力或用一种化学成分替换另一种）来放大光与物质的纠缠，而无需依赖热量，而是依靠物质接近量子临界点的强制近距条件。材料越接近其量子临界点，强量子纠缠的阈值就越低。如果在材料接近量子临界点时将光引入反射腔，那么将两者纠缠起来应该会大大更容易。

“一旦光和物质发生纠缠，它们的各自特性就会相互反映，”莱斯大学前博士后研究员、该论文共同第一作者Shouvik Sur说。“如果材料在与光纠缠的状态下进入量子临界点并转变到第二个相，光也会随之转变。”

因此，实验物理学家可以利用这种方法不仅实现光与物质的纠缠，还可以利用现有针对光和物质的各种方法，在不同相中研究纠缠粒子。这还为研究人员提供了一种方式，在下一代量子技术中利用量子纠缠。

去年，亓妙的研究小组发现，在被称为奇异金属的量子临界材料中，量子纠缠不仅存在，而且被增强。这种量子纠缠可能是量子技术的重要资源——如果科学家能够弄清楚如何从中提取它的话。这一新理论允许利用量子光来提取量子纠缠：在光子和物质发生纠缠后，光可以从腔中提取出来。这样的系统可能有助于开发量子传感等下一代技术。

“最终，这揭示了利用量子光从物质中获取量子纠缠的一条路径，”亓妙说。“这可以为提取量子纠缠资源以及从量子材料中实现新功能奠定基础。”

这项研究得到了美国能源部科学办公室基础能源科学计划（DE-SC0026179）、空军科研办公室（FA9550-21-1-0356）、Robert A. Welch基金会（C-1411）以及Vannever Bush教师奖学金（ONR-VB N00014-23-1-2870）的资助。