量子力學中有許多奇怪而反直覺的效應。比如，愛因斯坦將量子糾纏稱為 " 鬼魅般的超距作用 "，簡單理解，這種效應說的是，一個原子發(fā)生的事情會以某種方式影響其他地方的另一個原子。它已經(jīng)成為量子計算機、量子模擬器和量子傳感器的核心所在。

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

近日，一組研究團隊首次成功將量子力學中這兩種 " 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標準量子極限（在量子水平上對實驗測量精度的一種極限）的精度來感知加速度。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

想要讓兩個物體糾纏在一起，通常必須要讓它們非常非常靠近對方，它們之間才能產(chǎn)生相互作用。研究團隊已經(jīng)掌握了如何將數(shù)千到數(shù)百萬個原子糾纏在一起，無論它們是相距數(shù)毫米還是更遠的距離也能如此。

他們使用光腔讓光在鏡子之間來回反射，從而使信息得以在原子之間跳躍，并編織成一種糾纏態(tài)。利用這種獨特的基于光的方法，團隊已經(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，研究人員設計了兩種不同的實驗方法，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量，他們對與原子相關的量子噪聲進行預測量，然后簡單地從最終測量中減去量子噪聲。

在第二種方法中，注入空腔的光會使原子發(fā)生單軸扭轉(zhuǎn)，在這個過程中，每個原子的量子噪聲與其他所有原子的量子噪聲都相關，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班里的小孩子們，當老師答應他們，如果安靜下來就可以出去玩的時候，孩子們會對著其他人 " 噓！"，讓大家都安靜下來，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、最準確的量子傳感器之一。這種儀器的原理是，通過被吸收和不被吸收的激光，借助光的脈沖讓原子同時移動和不移動。這會讓原子在一段時間內(nèi)同時處于兩個不同的地方。

研究人員解釋道，實驗用激光束照射這些原子，實際上是將每個原子的量子波包一分為二，換句話說，粒子實際上同時存在于兩個不同的空間里。隨后的激光脈沖將這一過程逆轉(zhuǎn)，讓量子波包重新組合在一起。這樣一來，環(huán)境中的任何變化，比如加速度或旋轉(zhuǎn)，都可以通過原子波包的兩部分發(fā)生的可測量的干涉程度而被感知到。這與普通干涉儀中的光場做的事情很相似，只是這里換成了德布羅意波，或者說是由物質(zhì)構成的波。

團隊構想出了在一個帶有高反射鏡的光腔內(nèi)實現(xiàn)所有這些工作的方法。在論文中，他們報道了一個由 700 個原子構成的腔量子電動力學系統(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驗 " 中，測量原子在垂直方向的空腔中落下的距離，但同時又能利用量子力學帶來的精確性和準確性。

超冷原子在一個垂直的高精細度腔中進行有引導的自由落體實驗示意圖。（圖／Greve, G. P. et al., Nature）

通過了解如何在一個光腔內(nèi)操縱物質(zhì)波干涉儀，團隊能夠利用光和物質(zhì)的相互作用，在不同原子之間創(chuàng)造糾纏，以超過標準量子極限的精度對重力加速度進行更低噪、更精確的測量。

潛在優(yōu)勢

由于精度的提高，科學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。

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

有了這一重大的實驗進展，團隊希望更多研究人員能利用這種新的糾纏干涉儀方法，在物理學領域取得其他進展。

通過學習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)關于宇宙的新的奇異事物，它們或許會是所有人都尚未想到的。