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Nature Physics：利用超冷原子，重构量子信息
对生理系统的定量洞察力可以通过“信息测量”获得。例如，熵是一种信息度量，可以用来量化系统中的秩序。另一个例子是相互信息，它告诉我们通过观察一个系统的一个部分可以了解全貌的多少。
多体量子系统的一个基本属性是互信息的面积定律。这说明子系统之间共享的信息与它们之间的边界大小成正比，而不是它们的体积。这类似于引力物理学中的面积定律——即黑洞的熵与它的事件视界的表面积成正比，而不是体积。这个关于量子系统的理论预测已经有近20年的历史。
但是，由于在扩展的连续系统中测量冯-诺依曼熵（Gibbs 熵的量子扩展）的困难，它至今没有得到实验验证：它需要通过指数级的多次测量对量子状态进行全面断层扫描。
研究小组包括来自维也纳科技大学、苏黎世联邦理工学院、柏林自由大学和马克斯-普朗克量子光学研究所的科学家，他们对量子系统进行了断层扫描：具体的量子态重构，目的是寻找上述理论的实验证据。
对此，纽约大学物理系副教授、该研究的作者Dries Sales解释说：“项工作根据量子场理论的预测，重建了整个量子流体的状态——类似于描述我们宇宙基本粒子的预测。”
“量子计算依赖于能够在不同的子系统之间产生纠缠，而这正是我们可以用我们的方法测试的。做这种精确表征的能力也可能导致更好的量子传感器，这是量子技术的另一个应用领域。”
实验团队在一个原子芯片上创建了一个由两个平行的、一维的、隧穿耦合(tunnelling-coupled)的超流体组成的系统。这个装置模拟了克莱因-戈尔登场论的热态（是量子场论的基本模型之一），并允许对系统的有效质量和温度进行调整。
为了测量冯-诺依曼熵，我们需要根据对两点关系的测量，重建初始高斯状态的全部低能量密度矩阵。最终，使用断层扫描方法，实验团队估计了量子系统的冯-诺依曼熵和互信息。
在他们的工作中，科学家们创造了这个量子系统的两个 “版本”：雪茄状的原子云，它们随着时间的推移不断演化而不相互影响。在这个过程的不同阶段，该团队进行了一系列的实验，揭示了两个版本之间的联系。
“通过建立这些关联的完整历史，我们可以推断出系统的初始量子状态是什么，并提取其属性，”Sales解释说，“最初，我们有一个非常紧密结合的量子流体，我们将其一分为二，演变为两个独立的流体，然后重新结合，检测流体中的波。”
“这就像在一块石头被抛出后看池塘里的涟漪，并推断出石头的属性，例如它的大小、形状和重量。”
这项研究提供了对一种复杂现象的精密理解，这种现象是量子计算的基础，可以比传统计算更有效地进行某些计算操作。
未来，研究团队表示，下一个目标是测量量子场论和扩展多体量子系统的纠缠。另一个有趣的方向是在系统中模拟具有相互作用哈密顿的量子场论中的量子信息。
参考链接：
[1]https://www.nature.com/articles/s41567-023-02050-2
[2]https://www.nature.com/articles/s41567-023-02027-1
[3]https://www.theclevelandamerican.com/science-the-complete-state-of-the-quantum-fluid-is-reconstructed-publimetro-mexico/
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