被稱為糾纏的奇怪量子現(xiàn)象可以將原子和其他粒子連接在一起，從而使它們可以瞬間相互影響，而不受距離的限制。新的研究表明，利用糾纏可以獲得更準(zhǔn)確、更快的量子傳感器，從而支持GPS等衛(wèi)星導(dǎo)航技術(shù)。

量子傳感器依賴于可能出現(xiàn)的效應(yīng)，因為從最小的角度來看，宇宙是一個模糊的地方。眾所周知，這些量子效應(yīng)對外界干擾非常脆弱。然而，量子傳感器利用了這一漏洞，以應(yīng)對環(huán)境中最輕微的干擾。

量子傳感器越來越達(dá)到前所未有的靈敏度和準(zhǔn)確性，用于潛在的應(yīng)用，如探測思想磁場、發(fā)現(xiàn)隱藏的地下結(jié)構(gòu)和資源、幫助月球車探測月球巖石中的氧氣以及收聽暗物質(zhì)的無線電波。

原子鐘是目前最精確的計時器，也可以作為量子傳感器。原子鐘監(jiān)測原子的振動，類似于落地擺鐘通過擺動的鐘擺來計時。光學(xué)原子鐘使用激光束捕獲和監(jiān)測原子，目前的精度低至1阿秒，即十億分之一秒的十億分之一。

原子鐘除了計時外，還有許多可能的應(yīng)用。例如，它們是GPS和其他全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)（GNSS）所依賴的精確定時信號的關(guān)鍵，以幫助用戶精確定位自己的位置。

科羅拉多大學(xué)博爾德分校（CU Boulder）的量子物理學(xué)家Ana Maria Rey解釋說，糾纏在理論上有助于改進(jìn)量子傳感器，她是詳細(xì)介紹這項新研究的資深作者之一。當(dāng)單個原子被用作量子傳感器，它們在能態(tài)之間移動時，它們本質(zhì)上是有噪聲的。然而，當(dāng)原子糾纏在一起時，它們一致的行為方式可以減少噪音。這使得糾纏原子的信號更加清晰，改善了實際測量，并減少了獲得可靠結(jié)果所需的時間。

理論上，糾纏可以將宇宙兩端的粒子連接起來。在實踐中，很難將相距較遠(yuǎn)的原子糾纏在一起。原子與離它們最近的原子有更強(qiáng)的相互作用；距離越大，它們之間的相互作用就越弱。科學(xué)家們希望增加他們可以糾纏粒子的最大距離，因為這也可以增加他們總共可以糾纏的粒子數(shù)量。

在他們的新研究中，Rey和她的同事們開發(fā)了一種新的方法來糾纏原子，盡管它們相距遙遠(yuǎn)。Rey說：“這為模擬無限范圍的互動開辟了一條途徑。”

在他們的實驗中，科學(xué)家們排列了51個電捕獲的鈣離子，每個離子相距約5微米。他們使用激光在離子中產(chǎn)生被稱為聲子的準(zhǔn)粒子振動。這些聲子沿著原子線壓縮，這樣它們就可以共享量子信息并糾纏在一起。

產(chǎn)生糾纏的一種方法是通過一種稱為自旋擠壓的過程。所有遵循量子物理規(guī)則的物體都可以同時以多種能態(tài)存在，這種效應(yīng)被稱為疊加。自旋壓縮在某些方面將所有這些可能的疊加態(tài)減少到只有幾種可能性，而在其他方面則將其擴(kuò)展。

在短時間內(nèi)，相互作用的離子糾纏在一起，形成了一種自旋壓縮態(tài)。然而，隨著時間的推移，它們轉(zhuǎn)變?yōu)椤柏垹顟B(tài)（https://spectrum.ieee.org/schrodingers-cat-qubit）”。這些狀態(tài)由成對的狀態(tài)組成，彼此截然相反，就像著名的思維實驗薛定諤貓所經(jīng)歷的模糊的生與死狀態(tài)一樣。Rey說，貓的狀態(tài)是高度糾纏的，這使得它們對傳感器特別有用。

先前的研究設(shè)計了原子之間的靜態(tài)連接，因為每個原子只能與特定的離子陣列相互作用。然而，在這項新的研究中，科學(xué)家們對激光進(jìn)行了失諧，產(chǎn)生的磁場可能會使連接隨著時間的推移而改變。這意味著一個最初只能與一組原子相互作用的原子最終可以轉(zhuǎn)換為與陣列中的所有其他原子相互作用。

奧地利因斯布魯克大學(xué)的量子物理學(xué)家Christian Roos是該研究的另一位資深合著者，他說：“我們首次證明了如何產(chǎn)生能隨粒子數(shù)量而變化的糾纏。”Roos、Rey和他們的同事于8月30日在《自然》雜志上詳細(xì)介紹了他們的發(fā)現(xiàn)（https://www.nature.com/articles/s41586-023-06472-z）。

Roos說，有了12個離子，科學(xué)家們發(fā)現(xiàn)他們的新技術(shù)可以將傳感器中的噪聲降低兩倍多一點。Rey說，未來，他們計劃將離子捕獲在二維排列中，而不是線性鏈中，這可以幫助他們“捕獲更多的離子并加快動力學(xué)，產(chǎn)生更好的糾纏”。

Roos表示，總的來說，研究人員希望“在最先進(jìn)的時鐘中實現(xiàn)這一策略，這些時鐘可以處理3D陣列中捕獲的數(shù)千個粒子，因此原則上可以創(chuàng)建出有史以來最精確的傳感器”。

自旋壓縮糾纏也有利于光學(xué)原子鐘。在另一項研究中，同樣位于科羅拉多大學(xué)博爾德分校的另一組研究人員使用激光將鍶原子固定在一個二維平面中。被稱為光鑷子的精細(xì)控制光束將原子分成16到70個原子的組。利用高功率紫外線激光，科學(xué)家們將這些原子的電子激發(fā)到遠(yuǎn)離原子核的Rydberg軌道（https://spectrum.ieee.org/neutral-atom-qubit）。

Rydberg軌道的能量性質(zhì)可以導(dǎo)致原子強(qiáng)烈地相互作用，如相互糾纏。利用自旋壓縮，科學(xué)家們在多達(dá)70個原子的陣列中產(chǎn)生了糾纏。

使用這些糾纏陣列的時鐘顯示的信噪比大約是未糾纏時鐘顯示的1.5倍。這種精度的提高也可以被解釋為更好的速度：該研究的資深作者、科羅拉多大學(xué)博爾德分校的物理學(xué)家Adam Kaufman說，糾纏時鐘可以在非糾纏時鐘所需時間的一半內(nèi)達(dá)到給定的測量精度。

Kaufman提到，未來的研究可以探索除了自旋壓縮之外產(chǎn)生糾纏的其他方法，看看它們是否會提高測量精度。他和他的同事還在8月30日的《自然》雜志上詳細(xì)介紹了他們的發(fā)現(xiàn)（https://doi.org/10.1038/s41586-023-06360-6）。

審核編輯：彭菁