糾纏是一種量子現象，其中兩個或多個粒子的屬性以某種方式相互關聯，人們無法單獨描述單個粒子的性質，只能描述整體系統的性質。粒子的糾纏最終決定了材料的性質，但人們卻很難理解“糾纏”。據最新一期《自然》雜志報道，奧地利因斯布魯克大學和奧地利科學院量子光學和量子信息研究所研究人員開創了一種新方法，首次通過實驗證實了量子場論的預測，該方法可顯著提高對量子材料中糾纏的研究和理解。
為了描述大型量子系統并從中提取有關糾纏的信息，人們需要執行不可能完成的大量測量工作。新開發的一種更有效的描述方法讓研究人員只需進行極少的測量次數，就能從系統中提取糾纏信息。
在一個有51個粒子的離子陷阱量子模擬器中，研究人員用粒子逐一模仿了一種真實材料，并在受控的實驗室環境中對其進行研究。在此過程中，研究人員首次見證了以前僅從理論上描述的效果。
在量子材料中，粒子可或多或少地強烈糾纏。對強糾纏粒子的測量只能產生隨機結果。如果測量結果波動很大，那么將這種現象稱為“熱”；如果某個結果的概率增加，那它就是一個“冷的”量子物體。只有對所有糾纏物體的測量才能揭示確切的狀態。在由非常多的粒子組成的系統中，測量的工作量大大增加。量子場論預測，一個由許多糾纏粒子組成的系統的子區域可以被分配一個溫度分布。這些分布可用來推導粒子的糾纏程度。
在因斯布魯克大學的量子模擬器中，這些溫度分布是通過計算機和量子系統之間的反饋回路確定的，計算機不斷生成新的分布，并將它們與實驗中的實際測量結果進行比較。研究人員獲得的溫度分布圖顯示，與環境相互作用強烈的粒子是“熱的”，而相互作用很小的粒子是“冷的”。
這一研究完全符合人們的預期，即在粒子之間相互作用強烈的地方，糾纏尤其強烈。新方法為研究相關量子物質中的大規模糾纏提供了強大的工具，也為使用現有量子模擬器來研究一類新的物理現象打開了大門。
