量子场论的预测首次在实验中得到证实。纠缠是一种量子现象，在这种现象中，两个或更多粒子的特性相互关联，以至于人们无法再为每个粒子指定一个确定的状态。相反，我们必须同时考虑共享某种状态的所有粒子。粒子的纠缠最终决定了材料的特性。

研究人员获得的温度曲线显示，与环境相互作用强烈的粒子是"热"粒子（红色），相互作用较弱的粒子是"冷"粒子（蓝色）。因此，在粒子间相互作用强烈的地方，纠缠程度就大。资料来源：Helene Hainzer

目前发表在《自然》杂志上的这篇论文的第一作者之一克里斯蒂安-科凯尔（Christian Kokail）强调说："许多粒子的纠缠是与众不同的特征。但与此同时，这也很难确定"。

由因斯布鲁克大学和奥地利科学院量子光学与量子信息研究所（IQOQI）的彼得-佐勒（Peter Zoller）领导的研究人员现在提供了一种新方法，可以显著改善对量子材料中纠缠的研究和理解。为了描述大型量子系统并从中提取有关现有纠缠的信息，完成之前层被认为不可能完成的大量测量。

理论物理学家里克-范比南（Rick van Bijnen）解释说："我们已经开发出一种更有效的描述方法，使我们能够以大幅减少的测量次数从系统中提取纠缠信息。"

离子阱量子模拟器的进步

在带有 51 个粒子的离子阱量子模拟器中，科学家们通过逐个粒子再现真实材料，并在受控实验室环境中对其进行研究。世界上很少有研究小组能像克里斯蒂安-罗斯（Christian Roos）和莱纳-布拉特（Rainer Blatt）领导的因斯布鲁克实验物理学家小组那样，对如此多的粒子进行必要的控制。

"我们面临的主要技术挑战是如何在控制陷阱中 51 个离子的同时保持低误差率，并确保单个量子比特控制和读出的可行性，"实验员 Manoj Joshi 解释说。在这一过程中，科学家们首次在实验中看到了以前只在理论上描述过的效应。

"在这里，我们将过去多年来共同研究出的知识和方法结合在了一起。"克里斯蒂安-科凯尔（Christian Kokail）最近加入了哈佛大学理论原子分子和光学物理研究所。

温度曲线： 一条新捷径

在量子材料中，粒子或多或少会发生强纠缠。对强纠缠粒子进行测量只会产生随机结果。如果测量结果波动很大，即纯粹随机，那么科学家将其称为"热"。如果某种结果的概率增大，则是"冷"量子对象。只有对所有纠缠对象进行测量，才能揭示确切的状态。

在由非常多粒子组成的系统中，测量的工作量会大大增加。量子场论已经预言，由许多纠缠粒子组成的系统的子区域可以被赋予一个温度曲线。这些温度曲线可用于推导粒子的纠缠程度。

在因斯布鲁克量子模拟器中，这些温度曲线是通过计算机与量子系统之间的反馈回路确定的，计算机不断生成新的曲线，并将其与实验中的实际测量结果进行比较。研究人员获得的温度曲线显示，与环境相互作用强烈的粒子是"热"的，而相互作用很少的粒子是"冷"的。克里斯蒂安-科凯尔说："这完全符合人们的预期，即在粒子间相互作用强烈的地方，纠缠特别大。"

量子物理学的新视野

"我们开发的方法为研究相关量子物质中的大规模纠缠提供了强大的工具。这为利用当今已有的量子模拟器研究一类新的物理现象打开了大门，"量子设计大师彼得-佐勒（Peter Zoller）说。"使用经典计算机，这种模拟已经无法通过合理的努力来计算了"。

在因斯布鲁克开发的方法还将用于在此类平台上测试新理论。

相关成果已发表在《自然》杂志上。