当两个粒子似乎在没有物理联系的情况下进行通信时，就会发生量子纠缠，爱因斯坦将这种现象称为“幽灵般的远距离行动”。近90年后，由美国能源部橡树岭国家实验室(ORNL)领导的一个团队证明了“量子纠缠见证”的可行性，它能够证明量子材料中磁性粒子或自旋之间存在纠缠。

该团队包括来自橡树岭国家实验室、柏林亥姆霍兹中心、柏林工业大学、劳厄-朗之万研究所、牛津大学和波兹南密茨凯维奇大学的研究人员。他们使用中子散射实验和计算模拟的组合测试了三种纠缠见证方法。纠缠见证是一种可作为数据分析工具的技术，能用来确定哪些自旋跨越了经典和量子领域之间的阈值。

纠缠见证由John Stewart Bell于20世纪60年代首次提出，当时是用来证实受其他一些科学家质疑的量子理论是正确的。Bell的技术依赖于一次检测一对粒子，但这种方法对于研究由数万亿个粒子组成的固体材料没有用处。于是这个新的纠缠见证则瞄准和检测大量纠缠自旋，该团队将这一概念扩展到了表征固体材料并研究超导体和量子磁体中的奇异行为。

为确保见证可信，研究小组将三种纠缠见证方法都应用到了同一种材料上，因为他们知道之前的自旋动力学研究是纠缠在一起的。两个基于Bell方法的见证充分表明了在一种一维自旋链中存在着纠缠，相邻自旋是一条直线，它们在不考虑其他粒子的情况下与其邻居交流。但第三个基于量子信息理论的见证在同样的任务中表现得异常出色。

橡树岭国家实验室博士后研究助理、该团队证明研究的主要作者Allen Scheie说：“量子费舍尔信息(QFI)证明了理论和实验间的密切重叠，这使其成为量化纠缠的稳健可靠的方法。该团队的概念论文发表在近期的《Physical Review B》上。

因为在本质上看起来量子材料的波动可能是由随机热运动引起的，热运动只会在绝对零度处消失，所以大多数现代方法无法区分这些误报信息和实际的量子活动。该团队不仅证实了纠缠会随温度降低而增加的理论预测，而且自2016年提出该技术以来作为最全面QFI演示的一部分，它成功区分了经典和量子活动。

橡树岭国家实验室中子散射科学家Alan Tennant说：“最有趣的材料中充满了量子纠缠，但那些恰恰是最难计算的材料。”他领导了量子科学中心(QSC)一个专注于量子磁体的项目。这是美国能源部的一个国家量子信息科学研究中心，总部设在橡树岭国家实验室。

在此之前，快速识别量子材料的挑战为该中心的一个重要任务带来了巨大障碍，该任务涉及利用纠缠来开发新型设备和传感器，同时推进量子信息科学领域。使用QFI方法简化了这一过程，使QSC的研究人员能够专注于利用物质的力量，例如被称为量子自旋液体的稀有物质相和被称为超导体的材料，它们可用于数据存储和计算等应用。

Scheie说：“QFI方法的强大之处在于它与量子计量学的联系，在量子计量学中，科学家们将多个准粒子纠缠在一起以缩小不确定性，并获得极其精确的测量结果。QFI见证利用现有测量的精度来确定每个自旋与之纠缠的最小粒子数，从而逆转了这种方法。这是揭示量子相互作用的一种强有力方法，这意味着QFI方法适用于任何的量子磁性材料。”

确定QFI可以正确分类材料后，该团队测试了第二种一维自旋链。这是一种具有各向异性的更复杂的材料，各向异性这种特性使其自旋位于一个平面上，而不是随机旋转。研究人员向自旋链施加磁场并观测到了纠缠转变，其中纠缠量在重新出现之前降到了零。他们在《物理评论快报》上发表了这一发现。

为了获得这些结果，研究人员使用中子散射来研究这两种自旋链，然后分析了几十年前在英国散裂中子源ISIS和法国劳厄-朗之万研究所做的实验所遗留下来的数据，以及分析了来自散裂中子源的广角范围斩波器光谱仪的新数据，后者是由ORNL运营的美国能源部的一个科学用户设施办公室。他们还进行了补充模拟，以根据理想化的理论数据验证结果。

Tennant将中子描述为是“非常简单”的，由于其有中性电荷和非破坏性，中子是探测材料特性的理想工具。他说：“通过研究从样品中散射出来的中子分布，它传递了能量，我们能够使用中子作为衡量量子纠缠的标准，而无需依赖理论，也不需要尚不存在的大规模量子计算机。”

据该团队称，这种先进的计算和实验资源的结合，提供了最初是由量子力学创始人提出来的关于量子纠缠性质的答案。Scheie预计QFI计算很有可能成为中子散射实验标准程序的一部分，最终甚至可以表征最神秘的量子材料。（编译:Qtech）