當兩個粒子在沒有物理聯繫的情況下進行“通信”時，就會出現量子糾纏，這種現象被愛因斯坦稱為“遠距離幽靈行動”。近90年後，由美國能源部橡樹嶺國家實驗室（ORNL）領導的一個團隊證明了“量子糾纏見證”的可行性，它能夠證明量子材料中的磁性粒子或自旋之間存在糾纏關係。
該團隊–包括來自ORNL、柏林亥姆霍茲中心、柏林工業大學、Laue-Langevin研究所、牛津大學和波茲南密茨凱維奇大學的研究人員–使用中子散射實驗和計算模擬的組合測試了三種糾纏見證。糾纏見證是作為數據分析工具的技術，用於確定哪些自旋跨越了經典和量子領域之間的門檻。
糾纏見證由約翰·斯圖爾特·貝爾在20世紀60年代首次提出，證實了被其他科學家質疑的量子理論是正確的。貝爾的技術依賴於一次檢測一對粒子，但這種方法對研究由數萬億和數萬億粒子組成的固體材料沒有用。通過使用新的糾纏見證來瞄準和檢測大量的糾纏自旋集合，該團隊將這一概念擴展到表徵固體材料和研究超導體和量子磁體的奇異行為。
為了確保這些“見證”可以被信任，研究小組將所有三種糾纏見證應用於他們知道是糾纏的材料，因為以前的自旋動力學研究。其中兩個基於貝爾方法的糾纏見證充分表明了這個一維自旋鏈中糾纏的存在–這是一條相鄰自旋的直線，在不考慮其他粒子的情況下與它們的“鄰居”交流–但是第三個基於量子信息理論的糾纏見證在同一任務中表現得異常出色。
“量子費希爾信息，或QFI，見證了理論和實驗之間的密切重疊，這使得它成為量子糾纏的一種強大而可靠的方式，”ORNL的博士后研究助理和該團隊發表在《物理評論B》上的概念驗證論文的主要作者Allen Scheie說。
因為材料中看似量子性質的波動可能是由隨機熱運動引起的，而隨機熱運動只有在溫度尺度上的絕對零度時才會消失，大多數現代方法無法區分這些錯誤警報和實際的量子活動。該團隊不僅證實了理論上的預測，即糾纏隨着溫度的降低而增加，而且還成功地區分了經典和量子活動，這是自2016年該技術被提出以來最全面的QFI演示的一部分。
“最有趣的材料充滿了量子糾纏，但那些恰恰是最難計算的材料，”ORNL中子散射科學家Alan Tennant說，他領導着一個專註於量子科學中心的項目，即QSC，這是一個總部設在ORNL的DOE國家量子信息科學研究中心。
以前，快速識別量子材料的挑戰給該中心的任務帶來了重大障礙，該中心涉及利用糾纏來開發新型設備和傳感器，同時推進量子信息科學領域的發展。通過QFI簡化這一過程，QSC的研究人員可以專註於利用物質的力量，如稱為量子自旋液體的稀有物質相和稱為超導體的不抗電的材料，用於數據存儲和計算應用。
Scheie說：“QFI的力量來自於它與量子計量學的聯繫，在量子計量學中，科學家將多個准粒子糾纏在一起，以縮小不確定性並獲得極其精確的測量。QFI‘見證者’通過使用現有測量的精度來確定每個自旋糾纏的粒子的最小數量，從而逆轉了這種方法。這是一種揭示量子相互作用的強大方式，這意味着QFI真正適用於任何量子磁性材料。”
在確定了QFI可以正確地對材料進行分類之後，研究小組測試了第二條一維自旋鏈，這是一種具有各向異性的更複雜的材料，這是一種導致自旋位於一個平面內而不是隨機旋轉的特性。研究人員對自旋鏈施加了一個磁場，並觀察到一個糾纏過渡，其中糾纏量在重新出現之前下降到零。他們在《物理評論快報》上發表了這一發現。
為了取得這些結果，研究人員利用中子散射研究了這兩個自旋鏈，然後分析了幾十年前在英國ISIS中子源和法國Laue-Langevin研究所進行的實驗的遺留數據，以及來自位於Spallation中子源的寬角範圍斬波器光譜儀的新數據，該中子源是美國能源部科學辦公室的用戶設施，由ORNL運營。他們還進行了補充模擬，以對照理想化的理論數據驗證結果。
中子被Tennant描述為”非常簡單”，由於其中性電荷和非破壞性，它是探測材料特性的一個理想工具。Tennant說：“通過研究從樣品上散射下來的中子的分佈，它傳遞了能量，我們能夠使用中子作為測量量子糾纏的標尺，而不依賴理論，也不需要目前還不存在的大規模量子計算機。”
根據該團隊的說法，這種先進的計算和實驗資源的結合提供了關於量子糾纏的性質的答案，最初是由量子力學的創始人提出的。Scheie預計，QFI計算有可能成為中子散射實驗的標準程序的一部分，這些實驗最終可以描述甚至是最神秘的量子材料的特徵。