曾經困擾愛因斯坦的”鬼魅的超距作用”這一神秘現象，可能很快就會像智能手機中用於測量加速度的陀螺儀一樣普遍。最近發表在《自然-光子學》上的一項研究顯示，量子糾纏大大增強了傳感器的精度，這些傳感器可以在沒有GPS的情況下進行導航。

量子糾纏是量子力學中的一種現象，兩個或更多的粒子可以成為相關的，一個粒子的狀態取決於另一個粒子的狀態，即使相隔很遠。這意味著，一個粒子的狀態變化可以瞬間影響另一個粒子的狀態，而不考慮它們之間的距離。這種看似矛盾和反直覺的行為已在許多實驗中得到證實，並被認為是量子力學最迷人和神秘的方面之一。

密歇根大學電氣和計算機工程系副教授、該研究的共同通訊作者Zheshen Zhang說：”通過利用糾纏，我們既提高了測量靈敏度，也提高了我們進行測量的速度。”實驗是在亞利桑那大學完成的。

光學機械傳感器測量干擾機械傳感裝置的力，而機械傳感裝置會響應地移動。然後用光波測量該運動。在這個實驗中，傳感器是膜，它的作用就像鼓頭，在經歷了一個推力之後會振動。光機械傳感器可以作為加速度計使用，在沒有GPS衛星的星球上可以用於慣性導航，或者在一棟大樓內，當一個人在不同樓層導航時，也可以使用。

量子糾纏可以使光機械傳感器比目前使用的慣性傳感器更精確。它還可以使光機械傳感器尋找非常微妙的力量，如識別暗物質的存在。暗物質是不可見的物質，據信它在宇宙中的質量是我們用光所能感知的質量的五倍。它將用引力拉扯傳感器。

以下是糾纏如何改善光機械傳感器的原理：

光學機械傳感器依賴於兩束同步的激光。其中一束從傳感器中反射出來，而傳感器中的任何運動都會改變光在到達檢測器的途中所走的距離。當第二波與第一波重疊時，這種移動距離的差異就會顯示出來。如果傳感器是靜止的，這兩個波是完全一致的。但是，如果傳感器在移動，它們會產生一個乾擾模式，因為它們的波峰和波谷在某些地方會相互抵消。這種模式顯示了傳感器振動的大小和速度。

通常在干涉測量系統中，光走得越遠，系統就越精確。地球上最敏感的干涉測量系統–激光干涉儀引力波觀測站可以將光送入8公里的旅程，但這種規模的設備這是不可能裝入智能手機的。

為了使小型化光學機械傳感器達到高精度，Zhang的團隊探索了量子糾纏。他們沒有把光分成一次，讓它在一個傳感器和一個鏡子上反彈，而是把每束光分成第二次，讓光在兩個傳感器和兩個鏡子上反彈。亞利桑那大學光學科學助理教授達爾齊爾-威爾遜與他的博士生阿曼-阿格拉瓦和克里斯蒂安-普魯查一起建造了這些膜設備。這些膜只有100納米或0.0001毫米厚，可以對非常小的力做出反應。

增加一倍的傳感器可以提高精確度，因為膜的振動應該是相互同步的，但糾纏增加了額外的協調水平。研究小組通過”擠壓”激光來創造糾纏。在量子力學物體中，例如構成光的光子，對一個粒子的位置和動量的了解程度有一個基本限制。因為光子也是波，這就轉化為波的相位（它在振盪中的位置）和振幅（它攜帶多少能量）。

“這種擠壓重新分配了不確定性，因此被擠壓的部分可以更精確地知道，而反擠壓的部分則帶有更多的不確定性。我們擠壓了相位，因為那是我們的測量需要知道的，”亞利桑那大學Zhang實驗室剛畢業的博士生、該論文的共同通訊作者Yi Xia說。

在擠壓的光線中，光子彼此之間的關係更加密切，研究人員將光子通過分光器時發生的情況與汽車在高速公路上走到岔路口形成對比。

“你有三輛車走一條路，三輛車走另一條路。但在量子疊加中，每輛車都是雙向行駛的。現在左邊的車與右邊的車糾纏在一起，”他說。

因為兩個糾纏的光束的波動是相關的，它們的相位測量的不確定性是相關的。因此，通過一些數學技巧，該團隊能夠得到比兩個未糾纏的光束更精確的測量結果，而且他們可以以60%的速度完成。更重要的是，精度和速度有望與傳感器的數量成比例上升。根據設想，糾纏增強型傳感器陣列將比現有傳感技術提供數量級的性能增益，以實現對目前物理模型以外的粒子的檢測，為一個尚未被觀察到的新世界打開大門。

該團隊的下一步是將該系統小型化。目前，他們已經可以把擠壓光源放在一個邊長只有半厘米的芯片上。他們希望在一兩年內擁有一個帶有擠壓光源、分束器、波導和慣性傳感器的原型芯片。