JILA的一個研究小組首次成功地將量子力學中兩個”最詭異”的特徵結合起來，以製造一個更好的量子傳感器：原子之間的糾纏和原子的脫焦。JILA是一個由美國國家標準與技術研究所（NIST）和科羅拉多大學博爾德分校運營的物理科學研究機構。

干涉器內的糾纏原子的效果圖

科學家們首次成功地將量子力學中兩個”最詭異”的特徵結合起來，以製造更好的量子傳感器：原子之間的糾纏和原子的脫焦。這一成就是由JILA和NIST研究員詹姆斯·K·湯普森的研究團隊完成的。

愛因斯坦最初把糾纏稱為創造遠距離的幽靈行動–量子力學的奇怪效應，即一個原子發生的事情會以某種方式影響位於其他地方的另一個原子。糾纏是設想中的量子計算機、量子模擬器和未來的量子傳感器的核心所在。量子力學的第二個相當詭異的方面是脫域，即一個原子可以同時出現在一個以上的地方。

正如10月19日發表在《自然》雜誌上的論文所描述的那樣，湯普森小組將糾纏和脫域的詭異性結合起來，實現了一個物質波干涉儀，它能夠以超過標準量子極限（在量子水平上對實驗測量精度的限制）的精度感知加速度。未來的量子傳感器將能夠提供更精確的導航，探索所需的自然資源，更精確地確定基本常數，如精細結構和引力常數，更精確地尋找暗物質，甚至可能有一天探測到引力波。

糾纏的產生

要使兩個物體糾纏在一起，通常必須使它們非常、非常接近對方，以便它們能夠相互作用。湯普森小組已經學會瞭如何將數千到數百萬個原子糾纏在一起，即使它們相隔數毫米或更遠。他們通過使用在鏡子（稱為光腔）之間跳動的光來實現這一目標，允許信息在原子之間跳躍，並將它們編織成糾纏狀態。利用這種獨特的基於光的方法，他們已經創造並觀察到在任何系統中產生的一些最高度的糾纏狀態，無論是原子、光子還是固態。

利用這種技術，該小組設計了兩種不同的實驗方法，他們在最近的工作中都利用了這兩種方法。在第一種方法中稱為量子非破壞性測量，他們對與原子相關的量子噪聲進行預先測量，並簡單地從最終測量中減去量子噪聲。在第二種方法中，注入空腔的光使原子發生單軸扭轉，在這個過程中，每個原子的量子噪聲與所有其他原子的量子噪聲相關聯，以便它們可以一起”合謀”變得更安靜。

湯普森說：”這些原子有點像孩子們在互相噓寒問暖，以便他們能聽到老師答應他們的聚會，但在這裡是糾纏在做噓寒問暖。

物質波干涉儀

當今最精確和準確的量子傳感器之一是物質波干涉儀。其原理是，人們通過吸收和不吸收的激光，使用光脈衝使原子同時移動和不移動。這導致原子在一段時間內同時處於兩個不同的地方。

正如研究生Chengyi Luo解釋的那樣：”我們用激光束照射原子，所以我們實際上將每個原子的量子波包一分為二，換句話說，粒子實際上同時存在於兩個不同的空間。”

隨後的激光脈衝將這一過程逆轉，使量子波包重新組合在一起，這樣，環境中的任何變化，如加速或旋轉，都可以通過原子波包的兩部分發生的可測量的干擾量來感知，這與普通干涉儀中的光場很相似，但這裡是德布羅格利波，或由物質構成的波。

JILA的研究生團隊想出瞭如何在一個帶有高反射鏡的光腔內實現所有這些工作。他們可以重現”量子版的伽利略”從比薩斜塔上投下物品的重力實驗中，測量原子在垂直方向的空腔中落下的距離，但同時又具有量子力學帶來的所有精確性和準確性的優勢。

神秘程度翻倍

通過學習如何在一個光腔內操作物質波干涉儀，由羅成毅和格雷夫領導的研究生團隊隨後能夠利用光-物質的相互作用，在不同的原子之間產生糾纏，對重力加速度進行更安靜和更精確的測量。這是第一次有人能夠以超過未糾纏原子的量子噪聲所設定的標準量子極限的精度來觀察物質波干涉儀。

由於精度的提高，像羅和湯普森這樣的研究人員看到了利用糾纏作為量子傳感器的資源的許多未來好處。湯普森說：”我認為，有一天我們將能夠把糾纏引入物質波干涉儀，用於探測太空中的引力波，或用於暗物質搜索–這些都是探測基礎物理的東西，也是可以用於日常應用的設備，如導航或大地測量。”

有了這一重大的實驗進展，湯普森和他的團隊希望其他人能夠利用這種新的糾纏干涉儀方法，導致物理學領域的其他進展。湯普森樂觀地說：”通過學習駕馭和控制我們已經知道的所有詭異事物，也許我們可以發現關於宇宙的新的詭異事物，我們甚至還沒有想到！”