量子力学中有许多奇怪而反直觉的效应。比如，爱因斯坦将量子纠缠称为「鬼魅般的超距作用」，简单理解，这种效应说的是，一个原子发生的事情会以某种方式影响其他地方的另一个原子。它已经成为量子计算机、量子模拟器和量子传感器的核心所在。

干涉仪内的纠缠原子效果图。（图／Steven Burrows, Thompson Group）

除了量子纠缠之外，量子力学中还有另一种诡异的特征，被称为退局域（delocalization），它指的是，一个原子可以同时出现在一个以上的地方。

近日，一组研究团队首次成功将量子力学中这两种「最诡异」的特征结合在一起，制造出了一种更好的量子传感器。这种物质波干涉仪第一次能够以超过标准量子极限（在量子水平上对实验测量精度的一种极限）的精度来感知加速度。研究已发表在《自然》上。

产生纠缠

想要让两个物体纠缠在一起，通常必须要让它们非常非常靠近对方，它们之间才能产生相互作用。研究团队已经掌握了如何将数千到数百万个原子纠缠在一起，无论它们是相距数毫米还是更远的距离也能如此。

他们使用光腔让光在镜子之间来回反射，从而使信息得以在原子之间跳跃，并编织成一种纠缠态。利用这种独特的基于光的方法，团队已经创造并观察到了系统中产生的一些纠缠程度最高的纠缠态。

借助这种技术，研究人员设计了两种不同的实验方法，并将这两种方法都用在了最近的研究中。第一种方法被称为量子非破坏性测量(QND)，他们对与原子相关的量子噪声进行预测量，然后简单地从最终测量中减去量子噪声。

在第二种方法中，注入空腔的光会使原子发生单轴扭转，在这个过程中，每个原子的量子噪声与其他所有原子的量子噪声都相关，它们可以共同变得更低噪。

通过OAT和QND测量进行动量挤压 | 图源：Nature

可以这么理解，把这些原子想象成一个班里的小孩子们，当老师答应他们，如果安静下来就可以出去玩的时候，孩子们会对着其他人「嘘！」，让大家都安静下来，而在这种情况下，纠缠就像是这种「嘘的沟通」。

物质波干涉仪

物质波干涉仪是如今最精确、最准确的量子传感器之一。这种仪器的原理是，通过被吸收和不被吸收的激光，借助光的脉冲让原子同时移动和不移动。这会让原子在一段时间内同时处于两个不同的地方。

在一个高精细度的腔体中操纵物质波 | 图源：Nature

研究人员解释道，实验用激光束照射这些原子，实际上是将每个原子的量子波包一分为二，换句话说，粒子实际上同时存在于两个不同的空间里。随后的激光脉冲将这一过程逆转，让量子波包重新组合在一起。这样一来，环境中的任何变化，比如加速度或旋转，都可以通过原子波包的两部分发生的可测量的干涉程度而被感知到。这与普通干涉仪中的光场做的事情很相似，只是这里换成了德布罗意波，或者说是由物质构成的波。

团队构想出了在一个带有高反射镜的光腔内实现所有这些工作的方法。在论文中，他们报道了一个由700个原子构成的腔量子电动力学系统中的物质波干涉仪。

他们可以在「量子版伽利略比萨斜塔实验」中，测量原子在垂直方向的空腔中落下的距离，但同时又能利用量子力学带来的精确性和准确性。

超冷原子在一个垂直的高精细度腔中进行有引导的自由落体实验示意图 | 图源：Greve, G. P. et al., Nature

通过了解如何在一个光腔内操纵物质波干涉仪，团队能够利用光和物质的相互作用，在不同原子之间创造纠缠，以超过标准量子极限的精度对重力加速度进行更低噪、更精确的测量。

显示出超越SQL的灵敏度 | 图源：Nature

潜在优势

由于精度的提高，科学家看到了利用纠缠作为量子传感器资源的许多潜在优势。

通过将两种诡异性结合在一起，未来的量子传感器将能够提供更精确的导航，勘探所需的自然资源，更精确地确定基本常量（比如精细结构常数和引力常量），更准确地寻找暗物质，甚至可能有一天用于探测引力波。

有了这一重大的实验进展，团队希望更多研究人员能利用这种新的纠缠干涉仪方法，在物理学领域取得其他进展。

通过学习驾驭和控制那些已知的所有诡异的特性，也许还可以发现关于宇宙的新的奇异事物，它们或许会是所有人都尚未想到的。

参考来源：

[1]https://jila.colorado.edu/news-events/articles/entangled-matter-wave-interferometer-now-double-spookiness

[2]https://www.nature.com/articles/s41586-022-05197-9

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