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两篇Nature论文使用“新型自旋挤压技术”，实现超精密量子测量

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发布时间：2023-10-17
 
 
被称为“纠缠”的奇异量子现象可以将原子和其他粒子联系在一起，使它们可以不受距离的限制，瞬间相互影响。新的研究表明，有可能利用纠缠的优势，制造出更精确、更快速的量子传感器，从而为GPS等卫星导航技术提供支持。
 
量子传感器依赖于可能出现的效应，因为宇宙在最小的视角下也会变得模糊不清。这些量子效应很容易受到外界干扰。然而，量子传感器利用这种脆弱性，对环境中最轻微的干扰做出反应。
 
量子传感器的灵敏度和精确度正日益达到前所未有的水平，其潜在应用包括探测磁场、发现隐藏的地下结构和资源、帮助月球车探测月岩中的氧气，以及监听暗物质发出的无线电波。
 
原子钟是目前最精确的计时器，也可以作为量子传感器。与老爷钟通过钟摆摆动来计时的原理类似，原子钟也能监测原子的振动。光学原子钟使用激光束来捕捉和监测原子，目前的精度可以达到1阿秒——即十亿分之一秒。
 
除了计时之外，原子钟还有许多可能的应用。例如，它们是全球定位系统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，可帮助用户准确定位自己的位置。
 
现在，科罗拉多大学博尔德分校(CU Boulder)的量子物理学家、这项新研究的资深作者之一安娜·玛丽亚·雷伊(Ana Maria Rey)解释说，纠缠理论上有助于改进量子传感器。当单个原子被用作量子传感器时，它们在能量状态之间移动时会产生固有噪声。然而，当原子纠缠在一起时，它们的一致行为方式可以减少噪音；这使得来自纠缠原子的信号更加清晰，从而改进了实际测量，并缩短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联系起来。实际上，很难将相距较远的原子纠缠在一起。原子与距离最近的原子之间的相互作用更强；距离越远，相互作用越弱。科学家们希望增加粒子之间的最大纠缠距离，因为这也能增加他们能纠缠的粒子总数。
 
在他们的新研究中，雷伊和她的同事们开发出了一种新方法，尽管原子之间的距离很远，但仍能将它们纠缠在一起。雷伊说：“这为模拟无限距离相互作用开辟了一条途径。”
 
 
通过一种名为自旋挤压的方法将原子纠缠在一起，就可以制造出精度更高的原子钟，例如“镊钟(tweezer clock)”。
 
通过非集体相互作用实现挤压
 
在实验中，科学家们将51个电捕获的钙离子排成一排，每个离子之间相距约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。这些声子顺着原子线向下运动，因此它们可以共享量子信息并发生纠缠。
 
产生纠缠的一种方法是通过一种被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存在于多种能量状态，这种效应被称为叠加。自旋挤压在某些方面将所有这些可能的叠加态减少到几种可能性，而在另一些方面则扩大了这些可能性。
 
在很短的时间内，相互作用的离子就纠缠在一起，形成了一种自旋挤压态。然而，随着时间的推移，它们转变成了 “猫态”。这些状态由成对的状态组成，就像著名的思想实验“薛定谔的猫”所经历的生与死的模糊状态一样，彼此截然相反。雷伊认为，猫态具有高度纠缠性，因此特别适用于传感器。
 
以前的研究设计了原子之间的静态链接，即每个原子只能与特定的离子阵列相互作用。然而，在新的研究中，科学家们对激光器进行了失谐处理，产生的磁场可使链接随时间发生变化：这意味着，起初只能与一组原子相互作用的原子，最终可以转而与阵列中的所有其他原子相互作用。
 
这项研究的另一位资深合著者、奥地利因斯布鲁克大学量子物理学家克里斯蒂安·罗斯(Christian Roos)说道：“我们首次展示了如何产生可随粒子数量扩展的纠缠。”
 
罗斯说，科学家们发现他们的新技术可以利用12个离子将传感器中的噪声降低2倍多一点。雷伊赞同道，“未来，计划以二维排列而不是线性链的方式诱捕离子，这样可以帮助诱捕更多的离子、加快动力学速度、产生更好的纠缠。”
 
总而言之，研究人员希望将这一策略“应用于最先进的时钟中，这种时钟可以在三维阵列中捕获数千个粒子，因此原则上可以制造出有史以来最精确的传感器。
 
自旋挤压纠缠也能使光学原子钟受益。在另一项研究中，一组同样位于博尔德分校的研究人员利用激光将锶原子固定在一个二维平面上。被称为光学镊子的精细控制光束将原子放置成每组16到70个原子。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里德堡轨道上。
 
 
由88Sr原子组成的里德堡阵列中的自旋挤压
 
里德堡轨道的高能特性可使原子之间产生强烈的相互作用，如相互纠缠。利用自旋挤压，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信噪比的1.5倍。这项研究的资深作者、中大博尔德分校的物理学家亚当·考夫曼(Adam Kaufman)说，这种精度的提高也可以解释为速度的提高：纠缠时钟达到给定测量精度所需的时间只有未纠缠时钟的一半。
 
考夫曼还表示，未来的研究可以探索除自旋挤压外产生纠缠的其他方法，看看它们是否能提高测量精度。
 
参考链接：
[1]https://spectrum.ieee.org/quantum-entanglement-2665810157
[2]https://www.nature.com/articles/s41586-023-06472-z
[3]https://www.nature.com/articles/s41586-023-06360-6
 

 

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