當糾纏的原子被拉開時，量子測量變得更加清晰
精確測量世界比聽起來要困難得多。在非常小的尺度上，大自然是嘈雜的，量子物理的規則使得即使是最好的儀器也有些許不確定性。這限制了科學家測量電磁場、重力或時間等事物的準確度。現在，一項新的研究表明，量子糾纏可以幫助以全新的方式克服這些限制。通過將位於不同位置的原子連接起來，研究作者找到了一種方法，可以更精確地測量物理量在空間中的變化。這項工作將曾經的理論想法變成了一種實用方法，可以改進一些有史以來最精確的測量工具。該研究的作者之一、巴塞爾大學博士後研究員李一凡表示：“到目前為止，還沒有人對空間上分離的糾纏原子云進行過這樣的量子測量，而且這種測量的理論框架也仍然不清楚。”分裂糾纏的原子云實驗從原子冷卻到極低的溫度開始，此時量子效應占主導地位。每個原子的行為就像一個微小的旋轉磁鐵。這種旋轉的方向會隨著電磁場的變化而變化，使其成為周圍環境的敏感探測器。通常，當獨立測量許多原子時，它們的隨機量子漲落加起來會限制精度。為了解決這個問題，物理學家使用了糾纏，這是一種將粒子束縛在一起的量子效應，這樣即使粒子相距很遠，它們的行為也會變得相關。在早期的實驗中，糾纏已經被用來改進測量，但前提是所有原子都保持在同一位置。這意味著科學家可以很好地測量單個位置，但無法測量場從一個位置到另一個位置的變化。在實驗和理論上，分離糾纏原子而不破壞它們的連接仍然是一個未解決的挑戰。研究人員通過改變操作順序解決了這個問題。他們沒有首先分離原子，而是從一團超冷原子云開始，並在原子仍然在一起時使它們的自旋糾纏在一起。只有在建立了這種量子鏈接之後，他們才將雲分成更小的部分，並將它們放置在不同的位置。令人驚訝的是，分離後糾纏仍然存在。允許遙遠的原子云繼續作為單個量子系統的一部分，反映了愛因斯坦-波多爾斯基-羅森（EPR）悖論中強調的長距離相關性。 “我們現在通過將原子分佈到最多三個空間上分離的雲中來擴展這個概念。因此，糾纏效應在一定距離內起作用，就像 EPR 悖論一樣，”該研究的作者之一、巴塞爾大學教授 Philipp Treutlein 說。每個分離的雲檢測到的電磁場的部分略有不同。通過結合來自所有地點的信息，研究人員可以確定磁場在空間中的變化情況。由於雲層糾纏在一起，通常的量子不確定性減少了，並且以相同方式影響所有原子的擾動在很大程度上被抵消了。該團隊還開發了描述此類測量所需的缺失理論框架，展示了當使用空間分佈糾纏同時估計多個參數時如何最大限度地減少不確定性。現實世界有什麼用？這項工作介紹了一種新型量子傳感器，這種傳感器分佈在太空中，但作為一個單一的、協調的儀器發揮作用。該技術可以直接應用於光學晶格鐘，光學晶格鐘依靠排列在空間中的大量原子來計時。通過減少原子位置變化引起的誤差，這些時鐘可以達到更高的精度。該方法對於基於原子的重力儀同樣有前途，在原子重力儀中，檢測重力在不同位置的變化比測量其平均強度更重要。然而，所提出的方法在技術上要求很高。在分裂和控制多個原子云的同時保持糾纏需要極高的穩定性和精度，並且將該方法擴展到更遠的距離或更多的測量點並不容易。研究人員現在計劃完善他們的協議並在現實世界的精密儀器中進行測試。該研究發表在《科學》雜誌上。
已发布: 2026-01-25 14:04:00
