糾纏原子可以獲得更準(zhǔn)確、更快的量子傳感器

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?yàn)閺淖钚〉慕嵌葋砜?，宇宙是一個(gè)模糊的地方。眾所周知，這些量子效應(yīng)對(duì)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(duì)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(cè)思想磁場(chǎng)、發(fā)現(xiàn)隱藏的地下結(jié)構(gòu)和資源、幫助月球車探測(cè)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(jì)時(shí)器，也可以作為量子傳感器。原子鐘監(jiān)測(cè)原子的振動(dòng)，類似于落地?cái)[鐘通過擺動(dòng)的鐘擺來計(jì)時(shí)。光學(xué)原子鐘使用激光束捕獲和監(jiān)測(cè)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(jì)時(shí)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(shí)信號(hào)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(xiàng)新研究的資深作者之一。當(dāng)單個(gè)原子被用作量子傳感器，它們?cè)谀軕B(tài)之間移動(dòng)時(shí)，它們本質(zhì)上是有噪聲的。然而，當(dāng)原子糾纏在一起時(shí)，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(hào)更加清晰，改善了實(shí)際測(cè)量，并減少了獲得可靠結(jié)果所需的時(shí)間。

理論上，糾纏可以將宇宙兩端的粒子連接起來。在實(shí)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?？茖W(xué)家們希望增加他們可以糾纏粒子的最大距離，因?yàn)檫@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(dòng)開辟了一條途徑?！?/p>

在他們的實(shí)驗(yàn)中，科學(xué)家們排列了51個(gè)電捕獲的鈣離子，每個(gè)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(dòng)。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(shí)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(shí)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(shí)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(duì)的狀態(tài)組成，彼此截然相反，就像著名的思維實(shí)驗(yàn)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(duì)傳感器特別有用。

先前的研究設(shè)計(jì)了原子之間的靜態(tài)連接，因?yàn)槊總€(gè)原子只能與特定的離子陣列相互作用。然而，在這項(xiàng)新的研究中，科學(xué)家們對(duì)激光進(jìn)行了失諧，產(chǎn)生的磁場(chǎng)可能會(huì)使連接隨著時(shí)間的推移而改變。這意味著一個(gè)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?！盧oos、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(gè)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(diǎn)。Rey說，未來，他們計(jì)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(dòng)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(shí)鐘中實(shí)現(xiàn)這一策略，這些時(shí)鐘可以處理3D陣列中捕獲的數(shù)千個(gè)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(xiàng)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(gè)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(gè)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?cè)诙噙_(dá)70個(gè)原子的陣列中產(chǎn)生了糾纏。

使用這些糾纏陣列的時(shí)鐘顯示的信噪比大約是未糾纏時(shí)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(shí)鐘可以在非糾纏時(shí)鐘所需時(shí)間的一半內(nèi)達(dá)到給定的測(cè)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(huì)提高測(cè)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