JILA的一个研究小组首次成功地将量子力学中两个"最诡异"的特征结合起来,以制造一个更好的量子传感器:原子之间的纠缠和原子的脱焦。JILA是一个由美国国家标准与技术研究所(NIST)和科罗拉多大学博尔德分校运营的物理科学研究机构。

干涉器内的纠缠原子的效果图

科学家们首次成功地将量子力学中两个"最诡异"的特征结合起来,以制造更好的量子传感器:原子之间的纠缠和原子的脱焦。这一成就是由JILA和NIST研究员詹姆斯·K·汤普森的研究团队完成的。

爱因斯坦最初把纠缠称为创造远距离的幽灵行动--量子力学的奇怪效应,即一个原子发生的事情会以某种方式影响位于其他地方的另一个原子。纠缠是设想中的量子计算机、量子模拟器和未来的量子传感器的核心所在。量子力学的第二个相当诡异的方面是脱域,即一个原子可以同时出现在一个以上的地方。

正如10月19日发表在《自然》杂志上的论文所描述的那样,汤普森小组将纠缠和脱域的诡异性结合起来,实现了一个物质波干涉仪,它能够以超过标准量子极限(在量子水平上对实验测量精度的限制)的精度感知加速度。未来的量子传感器将能够提供更精确的导航,探索所需的自然资源,更精确地确定基本常数,如精细结构和引力常数,更精确地寻找暗物质,甚至可能有一天探测到引力波。

纠缠的产生

要使两个物体纠缠在一起,通常必须使它们非常、非常接近对方,以便它们能够相互作用。汤普森小组已经学会了如何将数千到数百万个原子纠缠在一起,即使它们相隔数毫米或更远。他们通过使用在镜子(称为光腔)之间跳动的光来实现这一目标,允许信息在原子之间跳跃,并将它们编织成纠缠状态。利用这种独特的基于光的方法,他们已经创造并观察到在任何系统中产生的一些最高度的纠缠状态,无论是原子、光子还是固态。

利用这种技术,该小组设计了两种不同的实验方法,他们在最近的工作中都利用了这两种方法。在第一种方法中称为量子非破坏性测量,他们对与原子相关的量子噪声进行预先测量,并简单地从最终测量中减去量子噪声。在第二种方法中,注入空腔的光使原子发生单轴扭转,在这个过程中,每个原子的量子噪声与所有其他原子的量子噪声相关联,以便它们可以一起"合谋"变得更安静。

汤普森说:"这些原子有点像孩子们在互相嘘寒问暖,以便他们能听到老师答应他们的聚会,但在这里是纠缠在做嘘寒问暖。

物质波干涉仪

当今最精确和准确的量子传感器之一是物质波干涉仪。其原理是,人们通过吸收和不吸收的激光,使用光脉冲使原子同时移动和不移动。这导致原子在一段时间内同时处于两个不同的地方。

正如研究生Chengyi Luo解释的那样:"我们用激光束照射原子,所以我们实际上将每个原子的量子波包一分为二,换句话说,粒子实际上同时存在于两个不同的空间。"

随后的激光脉冲将这一过程逆转,使量子波包重新组合在一起,这样,环境中的任何变化,如加速或旋转,都可以通过原子波包的两部分发生的可测量的干扰量来感知,这与普通干涉仪中的光场很相似,但这里是德布罗格利波,或由物质构成的波。

JILA的研究生团队想出了如何在一个带有高反射镜的光腔内实现所有这些工作。他们可以重现"量子版的伽利略"从比萨斜塔上投下物品的重力实验中,测量原子在垂直方向的空腔中落下的距离,但同时又具有量子力学带来的所有精确性和准确性的优势。

神秘程度翻倍

通过学习如何在一个光腔内操作物质波干涉仪,由罗成毅和格雷夫领导的研究生团队随后能够利用光-物质的相互作用,在不同的原子之间产生纠缠,对重力加速度进行更安静和更精确的测量。这是第一次有人能够以超过未纠缠原子的量子噪声所设定的标准量子极限的精度来观察物质波干涉仪。

由于精度的提高,像罗和汤普森这样的研究人员看到了利用纠缠作为量子传感器的资源的许多未来好处。汤普森说:"我认为,有一天我们将能够把纠缠引入物质波干涉仪,用于探测太空中的引力波,或用于暗物质搜索--这些都是探测基础物理的东西,也是可以用于日常应用的设备,如导航或大地测量。"

有了这一重大的实验进展,汤普森和他的团队希望其他人能够利用这种新的纠缠干涉仪方法,导致物理学领域的其他进展。汤普森乐观地说:"通过学习驾驭和控制我们已经知道的所有诡异事物,也许我们可以发现关于宇宙的新的诡异事物,我们甚至还没有想到!"