我国科学家首次实现化学反应中的量子纠缠测量 为新能源技术开辟新路径

问题——量子纠缠是量子信息科学的核心资源,但在化学反应中如何准确识别和量化纠缠,一直缺乏可行方法。传统实验主要依赖自旋等离散变量的测量,以贝尔不等式为判断标准。然而,化学反应特别是分子碰撞与散射过程,会产生散射角度、能量分布等连续结果,难以直接应用现有方法。这导致化学反应中是否存在可利用的纠缠长期停留在理论推测阶段。 原因——此难题源于测量对象和统计结构的差异:离散变量纠缠可以通过有限设置进行检验,而化学散射属于连续变量体系,观测数据随角度、能量等参数连续变化,实验控制和数据处理更为复杂。此外,反应通道往往呈现强耦合和非线性特征,看似随机的产物分布可能包含量子有关性。但缺乏将连续曲线转化为可检验不等式的理论工具,难以区分这些相关性是源于经典统计还是量子纠缠。 影响——针对这一挑战,普渡大学团队提出将贝尔定理应用于化学反应:通过调节散射角并记录反应产率,构建适用于连续变量的不等式;当实验数据违反该不等式时,可确认存在量子纠缠。研究团队利用氢化氘反应等典型散射过程进行模拟验证,发现在非线性较强、通道耦合明显的条件下,不等式违反信号更显著。这一进展为量子化学提供了新的定量工具。 对策——该方法不仅能检测纠缠,还可能用于调控反应。研究发现——在特定角度和能量范围内——纠缠水平可能影响反应分支比和产物分布。这为化学反应控制开辟了新维度——除了传统的温度、压强等因素,还可以通过量子态制备、相干保持等手段调控反应。下一步需要提升分子束和探测系统精度,优化实验条件以获得可靠数据;同时建立统一的数据处理标准。 前景——该方法有望应用于能源转化、材料合成等领域。光合作用、酶催化等高效过程被认为可能利用了量子效应,但缺乏直接证据。如果连续变量纠缠检验方法在可控体系中得到验证,将为研究复杂体系中的量子效应提供新工具。当然,从理论到实践仍需克服诸多挑战,比如如何在真实反应条件下维持足够强的纠缠。

这项研究首次将抽象的量子判据与可测量的化学产率联系起来。随着实验技术和理论方法的完善,量子纠缠有望从理论概念转化为实际工具,为理解自然界的能量转换过程和开发新型材料提供新思路。