凝態系統裡的 Quantum Entanglement－藍色情懷

物理：凝態系統裡的 Quantum Entanglement

科學家認為在原秒^＊（attosecond）尺度下，他們觀察到了凝態系統裡的 quantum entanglement。

Quantum entanglement（QE）的研究，是近十幾年來量子力學領域的顯學之一。我們一般所說的 entanglement，指的是孤立的（isolated）一對粒子（可以是電子、光子甚至是原子）的 entanglement。在一般的凝態多體系統裡，例如晶體，由於周遭粒子的影響會使得 entangle 態迅速消失（或說 decoherent）。這種 decoherence 的特性使得許多人認為凝態系統的 QE 並不特別重要，況且其在觀測上近乎不可能，

透過有別於一般常用的 Born-Oppenheimer 理論計算，1990 年代初英國 ISIS 的理論物理學家發現凝態系統的 QE 有一定的生命期，並不是如原先想像的會立刻消失。這篇報告的結論立刻引起同在 ISIS 的德國實驗物理學家 Chatzidimitriou-Dreismann 的興趣，他利用 ISIS 只有 10^-18秒的超短脈衝中子束進行水的 Compton 散射實驗，測量室溫下水分子裡面質子（氫原子核）的總散射截面。隨著入射質子的能量不同，實驗所觀測到結果比估計的總散射截面短少了 10% ～ 30% 不等，Chatzidimitriou-Dreismann 認為這個異常現象是由於水分子裡的兩個質子或者是質子與電子，在極短的時間內處於 entalgle 的狀態，因而改變了質子的總散射截面大小。換句話說在這個特別的狀況下，水分子的化學式應該寫成 H_1.5O 而不是 H₂O。

為了證實這個散射截面異常並不是單一現象，Chatzidimitriou-Dreismann 隨後繼續以金屬氫化物（metallic hydrides）、苯（benzene）以及聚苯乙烯（polystyrene）為材料進行實驗，結果同樣發現散射截面異常。大約同一個時間，位於澳洲 Canberra 的 Australian National University 物理學家 Vos 以短脈衝電子束進行類似的實驗，也觀察到類似的散射截面異常現象。雖然這些結果目前已經發表在最近的 Physical Review Letter 上，理論學家對這些異常仍然有些爭議，尤其是這些實驗並不是直接觀察 entanglement 的現象。

＊：參考國科會統一譯名表，這裡將 attosecond 譯作「原秒」。

原始論文：
1. Comparison of Electron and Neutron Compton Scattering from Entangled Protons in a Solid Polymer
C. A. Chatzidimitriou-Dreismann, M. Vos, C. Kleiner,1 and T. Abdul-Redah,
Phys. Rev. Lett. 91, 057403 (2003)

2. Anomalous Deep Inelastic Neutron Scattering from Liquid H2O-D2O: Evidence of Nuclear Quantum Entanglement
C. A. Chatzidimitriou-Dreismann, T. Abdul Redah, R. M. F. Streffer, and J. Mayers,
Phys. Rev. Lett. 79, 2839 (1997)

參考來源：