纠缠原子有助于超精密量子传感器制备

STEVEN BURROWS/JILA

被称为纠缠的奇怪量子现象可以将原子和其他粒子连接在一起，从而使它们可以瞬间相互影响，而不受距离的限制。新的研究表明，利用纠缠可以获得更准确、更快的量子传感器，从而支持GPS等卫星导航技术。

量子传感器依赖于可能出现的效应，因为从最小的角度来看，宇宙是一个模糊的地方。众所周知，这些量子效应对外界干扰非常脆弱。然而，量子传感器利用了这一漏洞，以应对环境中最轻微的干扰。

量子传感器越来越达到前所未有的灵敏度和准确性，用于潜在的应用，如探测思想磁场、发现隐藏的地下结构和资源、帮助月球车探测月球岩石中的氧气以及收听暗物质的无线电波。

原子钟是目前最精确的计时器，也可以作为量子传感器。原子钟监测原子的振动，类似于落地摆钟通过摆动的钟摆来计时。光学原子钟使用激光束捕获和监测原子，目前的精度低至1阿秒，即十亿分之一秒的十亿分之一。

原子钟除了计时外，还有许多可能的应用。例如，它们是GPS和其他全球导航卫星系统（GNSS）所依赖的精确定时信号的关键，以帮助用户精确定位自己的位置。

科罗拉多大学博尔德分校（CU Boulder）的量子物理学家Ana Maria Rey解释说，纠缠在理论上有助于改进量子传感器，她是详细介绍这项新研究的资深作者之一。当单个原子被用作量子传感器，它们在能态之间移动时，它们本质上是有噪声的。然而，当原子纠缠在一起时，它们一致的行为方式可以减少噪音。这使得纠缠原子的信号更加清晰，改善了实际测量，并减少了获得可靠结果所需的时间。

理论上，纠缠可以将宇宙两端的粒子连接起来。在实践中，很难将相距较远的原子纠缠在一起。原子与离它们最近的原子有更强的相互作用；距离越大，它们之间的相互作用就越弱。科学家们希望增加他们可以纠缠粒子的最大距离，因为这也可以增加他们总共可以纠缠的粒子数量。

在他们的新研究中，Rey和她的同事们开发了一种新的方法来纠缠原子，尽管它们相距遥远。Rey说：“这为模拟无限范围的互动开辟了一条途径。”

在他们的实验中，科学家们排列了51个电捕获的钙离子，每个离子相距约5微米。他们使用激光在离子中产生被称为声子的准粒子振动。这些声子沿着原子线压缩，这样它们就可以共享量子信息并纠缠在一起。

产生纠缠的一种方法是通过一种称为自旋挤压的过程。所有遵循量子物理规则的物体都可以同时以多种能态存在，这种效应被称为叠加。自旋压缩在某些方面将所有这些可能的叠加态减少到只有几种可能性，而在其他方面则将其扩展。

在短时间内，相互作用的离子纠缠在一起，形成了一种自旋压缩态。然而，随着时间的推移，它们转变为“猫状态（https://spectrum.ieee.org/schrodingers-cat-qubit）”。这些状态由成对的状态组成，彼此截然相反，就像著名的思维实验薛定谔猫所经历的模糊的生与死状态一样。Rey说，猫的状态是高度纠缠的，这使得它们对传感器特别有用。

先前的研究设计了原子之间的静态连接，因为每个原子只能与特定的离子阵列相互作用。然而，在这项新的研究中，科学家们对激光进行了失谐，产生的磁场可能会使连接随着时间的推移而改变。这意味着一个最初只能与一组原子相互作用的原子最终可以转换为与阵列中的所有其他原子相互作用。

奥地利因斯布鲁克大学的量子物理学家Christian Roos是该研究的另一位资深合著者，他说：“我们首次证明了如何产生能随粒子数量而变化的纠缠。”Roos、Rey和他们的同事于8月30日在《自然》杂志上详细介绍了他们的发现（https://www.nature.com/articles/s41586-023-06472-z）。

Roos说，有了12个离子，科学家们发现他们的新技术可以将传感器中的噪声降低两倍多一点。Rey说，未来，他们计划将离子捕获在二维排列中，而不是线性链中，这可以帮助他们“捕获更多的离子并加快动力学，产生更好的纠缠”。

Roos表示，总的来说，研究人员希望“在最先进的时钟中实现这一策略，这些时钟可以处理3D阵列中捕获的数千个粒子，因此原则上可以创建出有史以来最精确的传感器”。

自旋压缩纠缠也有利于光学原子钟。在另一项研究中，同样位于科罗拉多大学博尔德分校的另一组研究人员使用激光将锶原子固定在一个二维平面中。被称为光镊子的精细控制光束将原子分成16到70个原子的组。利用高功率紫外线激光，科学家们将这些原子的电子激发到远离原子核的Rydberg轨道（https://spectrum.ieee.org/neutral-atom-qubit）。

Rydberg轨道的能量性质可以导致原子强烈地相互作用，如相互纠缠。利用自旋压缩，科学家们在多达70个原子的阵列中产生了纠缠。

使用这些纠缠阵列的时钟显示的信噪比大约是未纠缠时钟显示的1.5倍。这种精度的提高也可以被解释为更好的速度：该研究的资深作者、科罗拉多大学博尔德分校的物理学家Adam Kaufman说，纠缠时钟可以在非纠缠时钟所需时间的一半内达到给定的测量精度。

Kaufman提到，未来的研究可以探索除了自旋压缩之外产生纠缠的其他方法，看看它们是否会提高测量精度。他和他的同事还在8月30日的《自然》杂志上详细介绍了他们的发现（https://doi.org/10.1038/s41586-023-06360-6）。