浅谈纠缠量子传感器

利用被称为纠缠的奇怪量子现象，爱因斯坦称之为“远距离的幽灵行动”，一项新的研究表明，科学家现在可以将多个量子传感器联网，形成一个统一的装置。研究人员表示，这一发现可以改进量子传感器的多种应用，例如帮助探测隐藏的地下资源和用于采矿和军事的结构。

量子传感器能够以前所未有的灵敏度执行探测思想磁场等任务。这些设备依赖于量子效应，如纠缠，其中多个粒子基本上同步作用，而不管它们相距多远。量子效应极易受到外界干扰，这是量子传感器利用的一个事实，有助于检测周围环境中的微小干扰。

正如量子传感器可以非常详细地探测世界的磁、热和其他特征一样，原子钟也可以精确地测量时间。祖父钟通过跟踪摆动的钟摆来计时，而原子钟则监测原子的量子振动。原子钟是目前制造的最精确的钟表，最好的原子钟非常精确，基本上每3000亿年就会损失一秒。

现在，科学家们首次将原子纠缠在一起，用于联网的量子传感器，特别是智能手机中经常出现的原子钟和量子版本的加速度计。与不使用纠缠的设置相比，他们发现他们的时间读数和加速度测量值分别精确3.5倍和1.2倍。

这项新工作的一个潜在应用是更好的加速计，用它来绘制地球引力场的强度。这项研究的资深作者、加州斯坦福大学的物理学家Mark Kasevich表示，重力测绘可以帮助分析隐藏在地下的特征，从探测地下水状况到寻找暗物质。

Kasevich说：“这项工作为未来实用的科学和技术传感器提供了模板，这些传感器将利用纠缠来提高精度。”

在这项新的研究中，研究人员将铷原子困在一个空腔内，并分成两组，每组约10万个原子。这两组原子分别被冷却到绝对零度以上百万分之二十五度，位于两个镜子之间。

科学家们使用微波脉冲来分析铷原子的行为，并将其用作原子钟。他们还表明，对原子施加力可以使它们以可检测的方式加速，从而证明了它们如何用于加速度测量。

然后，研究人员让光线通过每组原子在反射镜之间来回反射。反弹的光线使原子纠缠在一起。

这两个纠缠的原子群的行为就像一个时钟的两个面，或者一个加速计的两个读数。对这些纠缠原子群的测量可以证明比从两个单独的同步装置进行的测量更精确。科学家们还表明，他们可以成功地纠缠多达四组原子，每组约有45000个原子。

原子钟是GPS（全球定位系统的简称）和其他GNSS（全球导航卫星系统）用来帮助用户精确定位自己位置的精确定时信号的关键。然而，Kasevich警告说，在这项新的纠缠研究中，“全球导航卫星系统的应用还有很长的路要走”。

这项新研究中的所有原子群最多相隔约20微米，约为人类头发平均宽度的五分之一。Kasevich说：“下一步是将纠缠网络节点之间的距离增加到米级距离，最终达到公里级或更长。我认为这是一个适度的技术挑战，可以在未来几年内实现。”

编辑：黄飞