量子力學(xué)中有許多奇怪而反直覺(jué)的效應(yīng)。比如，愛(ài)因斯坦將量子糾纏稱為 " 鬼魅般的超距作用 "，簡(jiǎn)單理解，這種效應(yīng)說(shuō)的是，一個(gè)原子發(fā)生的事情會(huì)以某種方式影響其他地方的另一個(gè)原子。它已經(jīng)成為量子計(jì)算機(jī)、量子模擬器和量子傳感器的核心所在。

除了量子糾纏之外，量子力學(xué)中還有另一種詭異的特征，被稱為退局域（delocalization），它指的是，一個(gè)原子可以同時(shí)出現(xiàn)在一個(gè)以上的地方。

近日，一組研究團(tuán)隊(duì)首次成功將量子力學(xué)中這兩種 " 最詭異 " 的特征結(jié)合在一起，制造出了一種更好的量子傳感器。這種物質(zhì)波干涉儀第一次能夠以超過(guò)標(biāo)準(zhǔn)量子極限（在量子水平上對(duì)實(shí)驗(yàn)測(cè)量精度的一種極限）的精度來(lái)感知加速度。研究已發(fā)表在《自然》上。

干涉儀內(nèi)的糾纏原子效果圖。（圖／Steven Burrows, Thompson Group）

產(chǎn)生糾纏

想要讓兩個(gè)物體糾纏在一起，通常必須要讓它們非常非常靠近對(duì)方，它們之間才能產(chǎn)生相互作用。研究團(tuán)隊(duì)已經(jīng)掌握了如何將數(shù)千到數(shù)百萬(wàn)個(gè)原子糾纏在一起，無(wú)論它們是相距數(shù)毫米還是更遠(yuǎn)的距離也能如此。

他們使用光腔讓光在鏡子之間來(lái)回反射，從而使信息得以在原子之間跳躍，并編織成一種糾纏態(tài)。利用這種獨(dú)特的基于光的方法，團(tuán)隊(duì)已經(jīng)創(chuàng)造并觀察到了系統(tǒng)中產(chǎn)生的一些糾纏程度最高的糾纏態(tài)。

借助這種技術(shù)，研究人員設(shè)計(jì)了兩種不同的實(shí)驗(yàn)方法，并將這兩種方法都用在了最近的研究中。第一種方法被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)測(cè)量，然后簡(jiǎn)單地從最終測(cè)量中減去量子噪聲。

在第二種方法中，注入空腔的光會(huì)使原子發(fā)生單軸扭轉(zhuǎn)，在這個(gè)過(guò)程中，每個(gè)原子的量子噪聲與其他所有原子的量子噪聲都相關(guān)，它們可以共同變得更低噪。

可以這么理解，把這些原子想象成一個(gè)班里的小孩子們，當(dāng)老師答應(yīng)他們，如果安靜下來(lái)就可以出去玩的時(shí)候，孩子們會(huì)對(duì)著其他人 " 噓！"，讓大家都安靜下來(lái)，而在這種情況下，糾纏就像是這種 " 噓的溝通 "。

物質(zhì)波干涉儀

物質(zhì)波干涉儀是如今最精確、最準(zhǔn)確的量子傳感器之一。這種儀器的原理是，通過(guò)被吸收和不被吸收的激光，借助光的脈沖讓原子同時(shí)移動(dòng)和不移動(dòng)。這會(huì)讓原子在一段時(shí)間內(nèi)同時(shí)處于兩個(gè)不同的地方。

研究人員解釋道，實(shí)驗(yàn)用激光束照射這些原子，實(shí)際上是將每個(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)不同的空間里。隨后的激光脈沖將這一過(guò)程逆轉(zhuǎn)，讓量子波包重新組合在一起。這樣一來(lái)，環(huán)境中的任何變化，比如加速度或旋轉(zhuǎn)，都可以通過(guò)原子波包的兩部分發(fā)生的可測(cè)量的干涉程度而被感知到。這與普通干涉儀中的光場(chǎng)做的事情很相似，只是這里換成了德布羅意波，或者說(shuō)是由物質(zhì)構(gòu)成的波。

團(tuán)隊(duì)構(gòu)想出了在一個(gè)帶有高反射鏡的光腔內(nèi)實(shí)現(xiàn)所有這些工作的方法。在論文中，他們報(bào)道了一個(gè)由 700 個(gè)原子構(gòu)成的腔量子電動(dòng)力學(xué)系統(tǒng)中的物質(zhì)波干涉儀。

他們可以在 " 量子版伽利略比薩斜塔實(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)又能利用量子力學(xué)帶來(lái)的精確性和準(zhǔn)確性。

超冷原子在一個(gè)垂直的高精細(xì)度腔中進(jìn)行有引導(dǎo)的自由落體實(shí)驗(yàn)示意圖。（圖／Greve, G. P. et al., Nature）

通過(guò)了解如何在一個(gè)光腔內(nèi)操縱物質(zhì)波干涉儀，團(tuán)隊(duì)能夠利用光和物質(zhì)的相互作用，在不同原子之間創(chuàng)造糾纏，以超過(guò)標(biāo)準(zhǔn)量子極限的精度對(duì)重力加速度進(jìn)行更低噪、更精確的測(cè)量。

潛在優(yōu)勢(shì)

由于精度的提高，科學(xué)家看到了利用糾纏作為量子傳感器資源的許多潛在優(yōu)勢(shì)。

通過(guò)將兩種詭異性結(jié)合在一起，未來(lái)的量子傳感器將能夠提供更精確的導(dǎo)航，勘探所需的自然資源，更精確地確定基本常量（比如精細(xì)結(jié)構(gòu)常數(shù)和引力常量），更準(zhǔn)確地尋找暗物質(zhì)，甚至可能有一天用于探測(cè)引力波。

有了這一重大的實(shí)驗(yàn)進(jìn)展，團(tuán)隊(duì)希望更多研究人員能利用這種新的糾纏干涉儀方法，在物理學(xué)領(lǐng)域取得其他進(jìn)展。

通過(guò)學(xué)習(xí)駕馭和控制那些已知的所有詭異的特性，也許還可以發(fā)現(xiàn)關(guān)于宇宙的新的奇異事物，它們或許會(huì)是所有人都尚未想到的。