干涉器內(nèi)的糾纏原子的效果圖

 

　　科學(xué)家們首次成功地將量子力學(xué)中兩個(gè)"最詭異"的特征結(jié)合起來(lái)，以制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(tuán)隊(duì)完成的。愛因斯坦最初把糾纏稱為創(chuàng)造遠(yuǎn)距離的幽靈行動(dòng)--量子力學(xué)的奇怪效應(yīng)，即一個(gè)原子發(fā)生的事情會(huì)以某種方式影響位于其他地方的另一個(gè)原子。糾纏是設(shè)想中的量子計(jì)算機(jī)、量子模擬器和未來(lái)的量子傳感器的核心所在。

 

　　量子力學(xué)的第二個(gè)相當(dāng)詭異的方面是脫域，即一個(gè)原子可以同時(shí)出現(xiàn)在一個(gè)以上的地方。正如10月19日發(fā)表在《自然》雜志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(jié)合起來(lái)，實(shí)現(xiàn)了一個(gè)物質(zhì)波干涉儀，它能夠以超過標(biāo)準(zhǔn)量子極限（在量子水平上對(duì)實(shí)驗(yàn)測(cè)量精度的限制）的精度感知加速度。未來(lái)的量子傳感器將能夠提供更精確的導(dǎo)航，探索所需的自然資源，更精確地確定基本常數(shù)，如精細(xì)結(jié)構(gòu)和引力常數(shù)，更精確地尋找暗物質(zhì)，甚至可能有一天探測(cè)到引力波。糾纏的產(chǎn)生要使兩個(gè)物體糾纏在一起，通常必須使它們非常、非常接近對(duì)方，以便它們能夠相互作用。湯普森小組已經(jīng)學(xué)會(huì)了如何將數(shù)千到數(shù)百萬(wàn)個(gè)原子糾纏在一起，即使它們相隔數(shù)毫米或更遠(yuǎn)。他們通過使用在鏡子（稱為光腔）之間跳動(dòng)的光來(lái)實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)，允許信息在原子之間跳躍，并將它們編織成糾纏狀態(tài)。

 

　　利用這種獨(dú)特的基于光的方法，他們已經(jīng)創(chuàng)造并觀察到在任何系統(tǒng)中產(chǎn)生的一些最高度的糾纏狀態(tài)，無(wú)論是原子、光子還是固態(tài)。利用這種技術(shù)，該小組設(shè)計(jì)了兩種不同的實(shí)驗(yàn)方法，他們?cè)谧罱墓ぷ髦卸祭昧诉@兩種方法。在第一種方法中稱為量子非破壞性測(cè)量，他們對(duì)與原子相關(guān)的量子噪聲進(jìn)行預(yù)先測(cè)量，并簡(jiǎn)單地從最終測(cè)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(fā)生單軸扭轉(zhuǎn)，在這個(gè)過程中，每個(gè)原子的量子噪聲與所有其他原子的量子噪聲相關(guān)聯(lián)，以便它們可以一起"合謀"變得更安靜。湯普森說(shuō)："這些原子有點(diǎn)像孩子們?cè)诨ハ鄧u寒問暖，以便他們能聽到老師答應(yīng)他們的聚會(huì)，但在這里是糾纏在做噓寒問暖。

 

　　物質(zhì)波干涉儀當(dāng)今最精確和準(zhǔn)確的量子傳感器之一是物質(zhì)波干涉儀。其原理是，人們通過吸收和不吸收的激光，使用光脈沖使原子同時(shí)移動(dòng)和不移動(dòng)。這導(dǎo)致原子在一段時(shí)間內(nèi)同時(shí)處于兩個(gè)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(shí)際上將每個(gè)原子的量子波包一分為二，換句話說(shuō)，粒子實(shí)際上同時(shí)存在于兩個(gè)不同的空間。"隨后的激光脈沖將這一過程逆轉(zhuǎn)，使量子波包重新組合在一起，這樣，環(huán)境中的任何變化，如加速或旋轉(zhuǎn)，都可以通過原子波包的兩部分發(fā)生的可測(cè)量的干擾量來(lái)感知，這與普通干涉儀中的光場(chǎng)很相似，但這里是德布羅格利波，或由物質(zhì)構(gòu)成的波。

 

　　JILA的研究生團(tuán)隊(duì)想出了如何在一個(gè)帶有高反射鏡的光腔內(nèi)實(shí)現(xiàn)所有這些工作。他們可以重現(xiàn)"量子版的伽利略"從比薩斜塔上投下物品的重力實(shí)驗(yàn)中，測(cè)量原子在垂直方向的空腔中落下的距離，但同時(shí)又具有量子力學(xué)帶來(lái)的所有精確性和準(zhǔn)確性的優(yōu)勢(shì)。

 

　　神秘程度翻倍通過學(xué)習(xí)如何在一個(gè)光腔內(nèi)操作物質(zhì)波干涉儀，由羅成毅和格雷夫領(lǐng)導(dǎo)的研究生團(tuán)隊(duì)隨后能夠利用光-物質(zhì)的相互作用，在不同的原子之間產(chǎn)生糾纏，對(duì)重力加速度進(jìn)行更安靜和更精確的測(cè)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(shè)定的標(biāo)準(zhǔn)量子極限的精度來(lái)觀察物質(zhì)波干涉儀。由于精度的提高，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(lái)好處。

 

　　湯普森說(shuō)："我認(rèn)為，有一天我們將能夠把糾纏引入物質(zhì)波干涉儀，用于探測(cè)太空中的引力波，或用于暗物質(zhì)搜索--這些都是探測(cè)基礎(chǔ)物理的東西，也是可以用于日常應(yīng)用的設(shè)備，如導(dǎo)航或大地測(cè)量。"有了這一重大的實(shí)驗(yàn)進(jìn)展，湯普森和他的團(tuán)隊(duì)希望其他人能夠利用這種新的糾纏干涉儀方法，導(dǎo)致物理學(xué)領(lǐng)域的其他進(jìn)展。湯普森樂觀地說(shuō)："通過學(xué)習(xí)駕馭和控制我們已經(jīng)知道的所有詭異事物，也許我們可以發(fā)現(xiàn)關(guān)于宇宙的新的詭異事物，我們甚至還沒有想到！"