为了创建更有效的量子传感器，JILA 的研究团队首次融合了量子力学的两个“最诡异”的方面：原子之间的纠缠和原子的离域。
纠缠是一种奇怪的效应 量子力学 其中一个原子发生的事情会以某种方式影响其他地方的另一个原子。量子力学的第二个相当令人毛骨悚然的方面是离域性，即单个原子可以同时存在于多个地方。
在这项研究中，研究人员将两者的怪异结合起来 纠葛 和离域化以创建物质波干涉仪，该干涉仪可以以超越标准量子极限的精度感应加速度。未来 量子传感器 将能够提供更精确的导航，寻找必要的自然资源，更精确地确定精细结构和引力常数等基本常数，寻找 暗物质 更准确地说，甚至可能检测到 引力波 有一天，它加剧了恐怖的感觉。
研究人员利用镜子之间反射的光（称为光学腔）进行纠缠。这使得信息可以在原子之间跳跃并将它们编织成纠缠状态。利用这种特殊的基于光的技术，他们已经产生并观察到了任何系统（无论是原子、光子还是固态）中有史以来产生的一些最密集的纠缠态。利用这种技术，该小组设计了两种不同的实验方法，并在他们最近的工作中使用。
在第一种方法中，也称为量子非破坏测量，他们预先测量与其原子相关的量子噪声，然后将该测量结果从方程中取出。这 每个原子的量子噪声 通过第二种方法中称为单轴扭曲的过程，将光注入腔中，与所有其他原子的量子噪声相关。这使得原子能够协同工作，变得更加安静。
JILA 和 NIST 研究员 James K. Thompson 说， “原子有点像孩子们互相嘘声以保持安静，这样他们就可以听到老师向他们承诺的聚会，但这里是纠缠造成的嘘声。”
物质波干涉仪
物质波干涉仪是当今最精确的量子传感器之一。
研究生罗成义解释说， “这个想法是，利用光脉冲使原子同时移动，并通过吸收和不吸收来使原子不移动 激光器是如何工作的 光。这导致原子随着时间的推移同时处于两个不同的位置。”
“我们将激光束照射在原子上，因此我们将每个原子的量子波包一分为二，换句话说，粒子同时存在于两个独立的空间中。”
随后的激光脉冲逆转了这一过程，将量子波包重新组合在一起，从而允许通过原子波包的两个分量之间可测量的大干涉来感知环境中的任何变化，例如加速度或旋转，就像是用传统干涉仪中的光场完成的，但这里是用德布罗意波或由物质构成的波来完成的。
研究小组确定了如何在具有高反射镜的光学腔内进行这项工作。他们可以测量原子沿着垂直方向的空腔下落的距离 重力 在伽利略重力实验的量子版本中，从比萨斜塔掉落物品，但具有量子力学带来的精确度和准确性的所有好处。
由Chengyi Luo和Graham Greve领导的研究生小组随后能够利用由 光与物质相互作用 在光学腔内创建物质波干涉仪，以更安静、更准确地检测重力加速度。这是第一次以超出非纠缠原子量子噪声所施加的典型量子极限的精度水平观察到物质波干涉仪。
汤普森 说过, “由于精度的提高，罗和汤普森等研究人员看到了利用纠缠作为量子传感器资源的许多未来好处。我认为有一天我们将能够将纠缠引入物质波干涉仪中，用于探测太空中的引力波或暗物质搜索——探测基础物理的东西，以及可用于日常应用的设备，例如导航或暗物质搜索。大地测量学。”
“随着这一重大实验进展，汤普森和他的团队希望其他人能够使用这种新的纠缠干涉仪方法来推动物理学领域的其他进步。通过学习利用和控制我们已经知道的所有幽灵，也许我们可以发现宇宙中我们甚至还没有想到的新的幽灵事物！”
杂志参考：
- Graham P. Greve 等人，高精细腔体中的纠缠增强物质波干涉测量， 自然 （2022）。 DOI： 10.1038/s41586-022-05197-9
