Nature：利用量子纠缠，物质波干涉仪首超标准量子极限

光子盒研究院出品

美国JILA和NIST研究员James K. Thompson带领研究团队首次成功地将量子力学的两个“最诡异”特征结合起来——原子的纠缠和离域化（delocalization），制造出更好的量子传感器。他们开发了一个物质波干涉仪：该干涉仪实现了以超过标准量子极限（在量子尺度上对实验测量精度的限制）的精度来感测加速度。

10月19日，研究成果以《高精细度腔中的纠缠增强物质波干涉测量》为题[1]，发表在《自然》期刊上。

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两种实验方法：产生腔量子电动力学纠缠

要使两个物体纠缠在一起，通常必须使它们非常、非常接近对方，以便它们能够相互作用。Thompson小组已经学会了如何将数千到数百万个原子纠缠在一起，即使它们相距数毫米或更远。他们通过使用在镜子（称为光腔）之间跳动的光来实现这一目标，允许信息在原子之间跳跃，并将它们编织成纠缠态。利用这种独特的基于光的方法，他们创造并观察到在原子、光子和固态系统中产生的一些最高度纠缠态。

该小组设计了两种不同的实验方法，两种方法报告了不同原子的外部动量状态之间的腔量子电动力学纠缠的产生；并且，这两种方法都依赖于原子和光学腔之间的强集体耦合。

第一种方法中，团队实现了腔增强量子非破坏性(QND)测量，他们对与原子相关的量子噪声进行预先测量，并从本质上测量并减去了量子噪声；在第二种方法中，实验团队使用空腔来介导原子之间的单一相互作用，以实现所谓的单轴扭转(OAT)或全方位的伊辛互动。注入空腔的光使原子发生单轴扭转，在这个过程中，每个原子的量子噪声与所有其他原子的量子噪声相关联，以便它们可以一起合谋变得更“安静“。Thompson说：”这些原子有点像孩子们互相嘘寒问暖，让他们能够听到老师答应他们的聚会，但在这里，是纠缠在做嘘寒问暖的工作。“

这两种方法都已经在原子内部状态之间实现并产生了高达18.5 dB的纠缠，并且仅实现了在纠缠微波时钟和磁力计中直接观察到的增强。

实验概述。a）超冷原子在垂直的高精细腔中经历引导自由落体。b）布洛赫球体描述了纠缠的产生和注入马Mach–Zehnder物质波干涉仪。

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物质波干涉仪首次超过标准量子极限精度

当今最精确和准确的量子传感器之一是物质波干涉仪。其原理是，人们使用光脉冲，通过吸收/不吸收激光，使原子同时移动/不移动。这导致原子在一段时间内可以同时处于两个不同的地方。

正如研究生Chengyi Luo解释的那样[2]，“我们用激光束照射原子，所以我们实际上将每个原子的量子波包一分为二，换句话说，粒子实际上同时存在于两个不同的空间。随后的激光脉冲将这一过程逆转，使量子波包重新组合在一起。这样，环境中的任何变化，如加速或旋转，都可以通过原子波包的两部分发生的可测量的干扰量来感知，这与普通干涉仪中的光场很相似，但这里是由物质构成的波。“

JILA的研究生团队在一个带有高反射镜的光腔内实现所有这些工作。他们可以测量原子在重力作用下沿着垂直方向的空腔下落的距离，这是伽利略从比萨斜塔上投下物品的重力实验的量子版本，但具有量子力学带来的所有精确性和准确性的好处。

在一个高精细的腔体中操纵物质波。

表现出超越标准量子极限(SQL)的灵敏度。

通过学习如何在一个光腔内操作物质波干涉仪，研究团队随后能够利用光-物质相互作用，在不同原子之间产生纠缠，对重力加速度进行更安静、更精确的测量。这是第一次研究发现物质波干涉仪的精度超过了由未纠缠原子的量子噪声设定的标准量子精度极限。

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纠缠作为量子传感器：前途无限

由于精度的提高，研究人员看到了利用纠缠作为量子传感器的资源的许多未来好处。

Thompson说：“我认为，有一天我们将能够把纠缠引入物质波干涉仪，用于探测太空中的引力波，或用于暗物质搜索。这些都是探测基础物理的东西，也是可以用于日常应用的设备，如导航或大地测量。“

有了这一重大的实验进展，Thompson和他的团队也希望其他人能够利用这种新的纠缠干涉仪方法，在物理学领域取得其他进展。Thompson乐观地说：“通过学习驾驭和控制我们已经知道的所有诡异事物，也许我们可以发现关于宇宙的新的诡异事物——有一些甚至我们还没有想到。“

参考链接：

[1]https://www.nature.com/articles/s41586-022-05197-9

[2]https://phys.org/news/2022-10-entangled-matter-wave-interferometer-spookiness.html

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