糾纏量子傳感器可實現(xiàn)三倍精度

SCIENCE PHOTO LIBRARY/GETTY IMAGES利用被稱為糾纏的奇怪量子現(xiàn)象，愛因斯坦稱之為“遠距離的幽靈行動”，一項新的研究表明，科學家現(xiàn)在可以將多個量子傳感器聯(lián)網(wǎng)，形成一個統(tǒng)一的裝置。研究人員表示，這一發(fā)現(xiàn)可以改進量子傳感器的多種應用，例如幫助探測隱藏的地下資源和用于采礦和軍事的結構。量子傳感器能夠以前所未有的靈敏度執(zhí)行探測思想磁場等任務。這些設備依賴于量子效應，如糾纏，其中多個粒子基本上同步作用，而不管它們相距多遠。量子效應極易受到外界干擾，這是量子傳感器利用的一個事實，有助于檢測周圍環(huán)境中的微小干擾。正如量子傳感器可以非常詳細地探測世界的磁、熱和其他特征一樣，原子鐘也可以精確地測量時間。祖父鐘通過跟蹤擺動的鐘擺來計時，而原子鐘則監(jiān)測原子的量子振動。原子鐘是目前制造的最精確的鐘表，最好的原子鐘非常精確，基本上每3000億年就會損失一秒。現(xiàn)在，科學家們首次將原子糾纏在一起，用于聯(lián)網(wǎng)的量子傳感器，特別是智能手機中經常出現(xiàn)的原子鐘和量子版本的加速度計。與不使用糾纏的設置相比，他們發(fā)現(xiàn)他們的時間讀數(shù)和加速度測量值分別精確3.5倍和1.2倍。這項新工作的一個潛在應用是更好的加速計，用它來繪制地球引力場的強度。這項研究的資深作者、加州斯坦福大學的物理學家Mark Kasevich表示，重力測繪可以幫助分析隱藏在地下的特征，從探測地下水狀況到尋找暗物質。Kasevich說：“這項工作為未來實用的科學和技術傳感器提供了模板，這些傳感器將利用糾纏來提高精度。”在這項新的研究中，研究人員將銣原子困在一個空腔內，并分成兩組，每組約10萬個原子。這兩組原子分別被冷卻到絕對零度以上百萬分之二十五度，位于兩個鏡子之間。科學家們使用微波脈沖來分析銣原子的行為，并將其用作原子鐘。他們還表明，對原子施加力可以使它們以可檢測的方式加速，從而證明了它們如何用于加速度測量。然后，研究人員讓光線通過每組原子在反射鏡之間來回反射。反彈的光線使原子糾纏在一起。這兩個糾纏的原子群的行為就像一個時鐘的兩個面，或者一個加速計的兩個讀數(shù)。對這些糾纏原子群的測量可以證明比從兩個單獨的同步裝置進行的測量更精確。科學家們還表明，他們可以成功地糾纏多達四組原子，每組約有45000個原子。原子鐘是GPS（全球定位系統(tǒng)的簡稱）和其他GNSS（全球導航衛(wèi)星系統(tǒng)）用來幫助用戶精確定位自己位置的精確定時信號的關鍵。然而，Kasevich警告說，在這項新的糾纏研究中，“全球導航衛(wèi)星系統(tǒng)的應用還有很長的路要走”。這項新研究中的所有原子群最多相隔約20微米，約為人類頭發(fā)平均寬度的五分之一。Kasevich說：“下一步是將糾纏網(wǎng)絡節(jié)點之間的距離增加到米級距離，最終達到公里級或更長。我認為這是一個適度的技術挑戰(zhàn)，可以在未來幾年內實現(xiàn)。”科學家們在近日的《自然》雜志上詳細介紹了他們的發(fā)現(xiàn)。

來源：IEEE電氣電子工程師

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