量子糾纏（quantum entanglement）是指粒子之間發(fā)生的一種特殊耦合現(xiàn)象。在糾纏態(tài)下，我們無法單獨描述各個粒子的性質(zhì)，只能描述整體系統(tǒng)的性質(zhì)的現(xiàn)象，這種影響不隨距離的改變而消失，哪怕粒子之間相隔整個宇宙也不會變。

一項新的研究表明，使用量子糾纏機(jī)制，傳感器可以在檢測運動時更加準(zhǔn)確且更快。科學(xué)家們認(rèn)為，這些發(fā)現(xiàn)可能有助于發(fā)展不依賴 GPS 的導(dǎo)航系統(tǒng)。

在美國亞利桑那大學(xué)等機(jī)構(gòu)在《Nature Photonics》提交的一項新研究中，研究人員對光機(jī)械傳感器（optomechanical sensor）進(jìn)行了實驗，其使用光束對干擾進(jìn)行響應(yīng)。這些傳感器如用作加速度計，智能手機(jī)可以使用它來檢測運動。另一方面，加速度計也可用于 GPS 信號不佳區(qū)域的慣性導(dǎo)航系統(tǒng)，如地下、水下、建筑物內(nèi)部、偏遠(yuǎn)地區(qū)以及無線電信號受干擾的地方。

論文《Entanglement-enhanced optomechanical sensing》：

論文鏈接：https://www.nature.com/articles/s41566-023-01178-0

為了提高光機(jī)械傳感的性能，研究人員嘗試使用糾纏，愛因斯坦稱之為「幽靈般的遠(yuǎn)距離作用」。糾纏的粒子基本上是同步的，不管它們相距有多遠(yuǎn)。

研究人員希望在未來兩年內(nèi)獲得原型糾纏加速度計芯片。

量子糾纏雖然無視距離，但也極易受到外界干擾。量子傳感器利用了這種敏感性來幫助檢測周圍環(huán)境中最輕微的干擾。

「以前我們對量子增強(qiáng)光機(jī)械傳感的研究，主要集中在提高單個傳感器的靈敏度上，」該研究的主要作者、亞利桑那大學(xué)圖森分校的量子物理學(xué)家 Yi Xia 表示?！溉欢?，最近的理論和實驗研究表明，糾纏可以大幅提高多個傳感器之間的靈敏度，這種方法被稱為分布式量子傳感?！?/span>

光機(jī)械傳感器的機(jī)制依賴于兩個同步的激光束。一束光束被稱為振蕩器的組件反射，振蕩器的任何運動都會改變光在到達(dá)檢測器的途中傳播的距離。當(dāng)?shù)诙l光束與第一條光束重疊時，任何此類行進(jìn)距離差異都會顯現(xiàn)出來。如果傳感器靜止不動，則兩個光束完全對齊；如果傳感器移動，重疊的光波會產(chǎn)生干涉圖案，可透露出傳感器運動的大小和速度。

這項新研究中，亞利桑那大學(xué) Dal Wilson 小組的傳感器使用膜作為振蕩器，它的作用很像敲擊后振動的鼓皮。

在這里，研究人員沒有讓一束光束照射一個振蕩器，而是將一束紅外激光束分成兩束糾纏光束，它們從兩個振蕩器反射到兩個探測器上。這種光的糾纏性質(zhì)本質(zhì)上讓兩個傳感器分析一束光，從而共同提高速度和精度。

「我們可以利用糾纏來增強(qiáng)多個光機(jī)械傳感器的力傳感性能，」該研究的主要作者、密歇根大學(xué)安娜堡分校的量子物理學(xué)家 Zheshen Zhang 說。

此外，為了提高設(shè)備的精度，研究人員采用了所謂的「壓縮光」。壓縮光利用了量子物理學(xué)的一個關(guān)鍵原則：海森堡的測不準(zhǔn)原理（海森堡不確定性原理），該原理指出，粒子的位置確定，動量就完全不確定，動量確定，位置就完全不確定。壓縮光利用這種權(quán)衡來「壓縮」或減少給定變量測量的不確定性 —— 在這種情況下，構(gòu)成激光束的波的相位，同時增加了另一個變量測量的不確定性，但研究人員可以忽略。

「我們是少數(shù)能夠制造壓縮光源的團(tuán)隊之一，目前正在探索將其作為下一代精密測量技術(shù)的基礎(chǔ)，」Zheshen Zhang 說道。

總而言之，科學(xué)家們能夠收集到的測量結(jié)果比使用兩個未糾纏的光束更精確 40%，并且速度提高了 60%。此外他們表示，這種方法的精度和速度預(yù)計會隨著傳感器數(shù)量的增加而增加。

「這些發(fā)現(xiàn)意味著我們可以進(jìn)一步將超精密力傳感的性能提升到前所未有的水平，」Zheshen Zhang 表示。

研究人員表示，改進(jìn)光機(jī)械傳感器不僅可以帶來更好的慣性導(dǎo)航系統(tǒng)，還可以幫助探測暗物質(zhì)和引力波等神秘現(xiàn)象。暗物質(zhì)是一種不可見的物質(zhì)，被認(rèn)為占宇宙中所有物質(zhì)總量的六分之五，檢測它可能產(chǎn)生的引力效應(yīng)可以幫助科學(xué)家弄清楚它的性質(zhì)。引力波是時空結(jié)構(gòu)中的漣漪，可以幫助揭示從黑洞到大爆炸的奧秘。

下一步，科學(xué)家們計劃將他們的系統(tǒng)小型化。目前人們已經(jīng)可以在只有半厘米寬的芯片上放置壓縮光源。在未來一兩年內(nèi)，我們有望擁有原型芯片，其中包括壓縮光源、分束器、波導(dǎo)和慣性傳感器?！高@將使這項技術(shù)更實用、更實惠、更容易獲取，」Zheshen Zhang 說道。

此外，研究團(tuán)隊目前正在與霍尼韋爾、噴氣推進(jìn)實驗室、NIST 和其他幾所大學(xué)合作開發(fā)芯片級量子增強(qiáng)慣性測量單元。Zheshen Zhang 表示：「我們的愿景是在自動駕駛車輛和航天器中部署此類集成傳感器，以在沒有 GPS 信號的情況下實現(xiàn)精確導(dǎo)航。