曾經(jīng)讓愛(ài)因斯坦感到不安的“遠(yuǎn)距離幽靈般的動(dòng)作”可能正在變得像目前在智能手機(jī)中測(cè)量加速度的陀螺儀一樣平淡無(wú)奇。
　　根據(jù)《自然光子學(xué)》(Nature Photonics)的一項(xiàng)新研究，量子糾纏顯著提高了無(wú)需GPS即可導(dǎo)航的傳感器的精度。
　　密歇根大學(xué)電氣和計(jì)算機(jī)工程副教授、該研究的共同通訊作者Zheshen Zhang說(shuō)：“通過(guò)利用糾纏，我們提高了測(cè)量靈敏度和測(cè)量速度。”
　　光機(jī)械傳感器測(cè)量干擾響應(yīng)移動(dòng)的機(jī)械傳感設(shè)備的力。然后用光波測(cè)量該運(yùn)動(dòng)。在這個(gè)實(shí)驗(yàn)中，傳感器是膜，它就像鼓皮一樣，在受到推動(dòng)后振動(dòng)。光機(jī)械傳感器可以用作加速度計(jì)，可以在沒(méi)有GPS衛(wèi)星的星球上或建筑物內(nèi)用于慣性導(dǎo)航，因?yàn)槿藗冊(cè)诓煌臉菍訉?dǎo)航。
　　量子糾纏可以使光機(jī)械傳感器比目前使用的慣性傳感器更準(zhǔn)確。它還可以使光機(jī)械傳感器尋找非常微妙的力，例如識(shí)別暗物質(zhì)的存在。暗物質(zhì)是一種不可見(jiàn)的物質(zhì)，根據(jù)相關(guān)信息，其在宇宙中所占的質(zhì)量是我們可以用光感知到的質(zhì)量的五倍。它會(huì)用重力拉動(dòng)傳感器。
　　以下是糾纏如何改進(jìn)光機(jī)械傳感器：
　　光機(jī)械傳感器依賴于兩個(gè)同步的激光束。其中一個(gè)被傳感器反射，傳感器的任何移動(dòng)都會(huì)改變光在到達(dá)探測(cè)器的路上的傳播距離。當(dāng)?shù)诙ㄅc第一波重疊時(shí)，行進(jìn)距離的差異就會(huì)顯現(xiàn)出來(lái)。如果傳感器靜止，則兩個(gè)波完全對(duì)齊。但如果傳感器在移動(dòng)，它們會(huì)產(chǎn)生一種干擾模式，因?yàn)樗鼈兊牟ǚ搴筒ü仍谀承┑胤较嗷サ窒＿@種模式揭示了傳感器中振動(dòng)的大小和速度。
　　通常在干涉測(cè)量系統(tǒng)中，光傳播得越遠(yuǎn)，系統(tǒng)就變得越精確。地球上最靈敏的干涉測(cè)量系統(tǒng)，激光干涉儀引力波天文臺(tái)，在8公里的旅程中發(fā)出光。但這不適合智能手機(jī)。
　　為了實(shí)現(xiàn)小型化光學(xué)機(jī)械傳感器的高精度，研究團(tuán)隊(duì)探索了量子糾纏。他們沒(méi)有將光分開(kāi)一次，使其從傳感器和鏡子上反射，而是將每束光分開(kāi)第二次，使光從兩個(gè)傳感器和兩個(gè)鏡子上反射。亞利桑那大學(xué)光學(xué)科學(xué)助理教授Dalziel Wilson和他的博士生Aman Agrawal和Christian Pluchar一起制造了膜裝置。這些膜只有100納米或0.0001毫米厚，在非常小的力的作用下移動(dòng)。
　　將傳感器加倍可提高準(zhǔn)確性，因?yàn)槟?yīng)該彼此同步振動(dòng)，但糾纏增加了額外的協(xié)調(diào)水平。研究團(tuán)隊(duì)通過(guò)“擠壓”激光產(chǎn)生了糾纏。在量子力學(xué)對(duì)象中，例如構(gòu)成光的光子，對(duì)粒子的位置和動(dòng)量的了解程度存在基本限制。因?yàn)楣庾右彩遣?，所以這轉(zhuǎn)化為波的相位和它的振幅。
　　亞利桑那大學(xué)博士畢業(yè)生、該論文的共同通訊作者Yi Xia說(shuō)：“壓縮重新分配了不確定性，從而更準(zhǔn)確地知道壓縮分量，而反壓縮分量攜帶了更多的不確定性。我們壓縮相位是因?yàn)檫@是我們測(cè)量需要知道的。”
　　在壓縮光中，光子之間的關(guān)系更為密切。研究人員將光子通過(guò)分束器與汽車(chē)駛?cè)敫咚俟返牟砺房跁r(shí)發(fā)生的情況進(jìn)行了對(duì)比。
　　他說(shuō)：“有三輛車(chē)朝一個(gè)方向行駛，三輛車(chē)向另一個(gè)方向前進(jìn)。但在量子疊加中，每輛車(chē)都朝兩個(gè)方向行駛。現(xiàn)在左邊的車(chē)與右邊的車(chē)糾纏在一起。”
　　因?yàn)閮蓚€(gè)糾纏光束的波動(dòng)是相關(guān)的，所以它們相位測(cè)量的不確定性是相關(guān)的。因此，借助一些數(shù)學(xué)魔法，該團(tuán)隊(duì)能夠獲得比使用兩根未糾纏的光束更精確40%的測(cè)量結(jié)果，而且他們可以更快地完成測(cè)量60%。更重要的是，精度和速度預(yù)計(jì)會(huì)隨著傳感器數(shù)量的增加而提高。
　　研究人員表示，預(yù)計(jì)一系列增強(qiáng)糾纏的傳感器將提供比現(xiàn)有傳感技術(shù)數(shù)量級(jí)的性能增益，從而能夠檢測(cè)超出當(dāng)前物理模型的粒子，打開(kāi)通往尚未觀察到的新世界的大門(mén)。
　　該團(tuán)隊(duì)的下一步是將系統(tǒng)小型化。他們已經(jīng)可以將壓縮光源放在邊距僅半厘米的芯片上。他們希望在一兩年內(nèi)擁有帶有壓縮光源、分束器、波導(dǎo)和慣性傳感器的原型芯片。
　　該研究發(fā)表于《自然光子學(xué)》上。
　　DOI：10.1038/s41566-023-01178-0)