科学家开发了全球首个量子传感器纠缠网络

光子盒研究院出品

美国Q-NEXT量子研究中心的研究人员展示了如何创建原子钟和加速度计的量子纠缠网络，并展示了该装置卓越的高精度性能。这是首次实现原子纠缠在一起用作联网的量子传感器，特别是原子钟和加速度计。

这些研究人员来自斯坦福大学、康奈尔大学和美国能源部布鲁克海文国家实验室，他们于11月23日以《用模式纠缠的自旋压缩原子态进行分布式量子传感》为题[1]，将论文发表在《自然》期刊上。

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时间和加速度测量精度分别提高3.5倍和1.2倍

该研究小组的实验装置产生了对时间和加速度的超精确测量；与没有利用量子纠缠的类似装置相比，他们的时间测量结果要精确3.5倍，而加速度测量结果要精确1.2倍。

论文主要作者、Q-NEXT成员、物理学和应用物理学教授Mark Kasevich说：“在这种装置中使用纠缠的影响是，它产生的传感器网络性能比不使用量子纠缠作为资源时要好。”

斯坦福大学人文与科学学院William R. Kenan, Jr.教授表示：“对于原子钟和加速度计来说，我们的是一个开创性的示范。”

原子钟和加速计更高的灵敏度将导致更精确的计时和导航系统，例如那些用于全球定位系统、国防和广播通信的系统；超精确的时钟也被用于金融和交易。

“GPS告诉我现在我在哪里，精度大约一米。”Kasevich说：“但是如果我想知道我在哪里，精度在10厘米之内呢？这就是更好的时钟会带来的影响。”

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实验设置：纠缠提高了显示器读取的频率、加速度精度

原子传感器序列

原子钟的网络灵敏度

人们可以通过计算电磁波的脉冲数来标记时间的流逝，就像计算时钟的滴答声一样。如果知道一个特定的波每秒脉冲60亿次，人们就知道，一旦数出60亿个波峰，一秒钟就过去了。因此，知道微波的确切频率，就有了追踪时间的精确方法。

实验中，困在一个空腔内的铷原子被分成两组，每组约10万个原子。这两组原子位于两面镜子之间。光线在镜子之间来回跳动，每一次射击都会在原子组中追踪到它。回弹的光线使它们纠缠在一起。微波在这两组原子中荡漾开来。碰巧与微波的特定频率发生共振的原子通过改变成不同的状态而做出反应，就像当女高音唱出正确的音符时，酒杯会振动。

同样，当一个特定的加速度被施加到原子组上时，每个原子组中的某些部分会通过改变状态做出反应。这两个纠缠在一起的原子组的行为就像一个时钟的两个面，或者一个加速度计的两个读数。

研究小组测量了每组中改变状态的原子的数量，即像酒杯一样振动的原子。然后他们用这些数字来计算应用于两组的微波频率的差异，因此也计算出两组的时间或加速度读数的差异。

Kasevich团队发现，纠缠提高了显示器读取的频率或加速度差异的精度：在他们的设置中，当时钟纠缠在一起时，对两个地点的时间的测量比它们独立运行时要精确3.5倍；对于加速度，在纠缠的情况下，测量的精确度是1.2倍。

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未来：从实验室走向全球应用

Kasevich说：“如果你想知道某件事情需要多长时间，你可能会把一个时钟作为起点，然后跑到另一个房间去看另一个时钟，即终点。我们的方法利用了纠缠原理，使这种比较尽可能精确。”

他们的工作意味着时间或加速度可以以前所未有的敏感度，在四个独立的、尽管相距不远的位置之间进行比较。

“在未来，我们想把它们推到更远的地方。世界需要可以比较时间的时钟；加速计也是如此。在一些传感配置中，人们希望能够读出一组加速器相对于另一组的差异。我们能够展示如何做到这一点。”Kasevich表示。

Q-NEXT副主任JoAnne Hewett说：“这是该团队取得的一项重要成果，这意味着我们可以利用纠缠来开发比我们今天使用的传感器强大得多的传感器。我们离挥舞量子现象来改善我们的日常生活又近了一步。”

参考链接：

[1]https://www.nature.com/articles/s41586-022-05363-z

[2]https://phys.org/news/2022-11-quantum-entangled-networks-atomic-clocks-accelerometers.html

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