量子糾纏（quantum entanglement）是指粒子之間發(fā)生的一種特殊耦合現(xiàn)象。在糾纏態(tài)下，我們無法單獨描述各個粒子的性質，只能描述整體系統(tǒng)的性質的現(xiàn)象，這種影響不隨距離的改變而消失，哪怕粒子之間相隔整個宇宙也不會變。

一項新的研究表明，使用量子糾纏機制，傳感器可以在檢測運動時更加準確且更快。科學家們認為，這些發(fā)現(xiàn)可能有助于發(fā)展不依賴 GPS 的導航系統(tǒng)。

在美國亞利桑那大學等機構在《Nature Photonics》提交的一項新研究中，研究人員對光機械傳感器（optomechanical sensor）進行了實驗，其使用光束對干擾進行響應。這些傳感器如用作加速度計，智能手機可以使用它來檢測運動。另一方面，加速度計也可用于 GPS 信號不佳區(qū)域的慣性導航系統(tǒng)，如地下、水下、建筑物內部、偏遠地區(qū)以及無線電信號受干擾的地方。

論文《Entanglement-enhanced optomechanical sensing》：

論文鏈接：https://www.nature.com/articles/s41566-023-01178-0

為了提高光機械傳感的性能，研究人員嘗試使用糾纏，愛因斯坦稱之為「幽靈般的遠距離作用」。糾纏的粒子基本上是同步的，不管它們相距有多遠。

研究人員希望在未來兩年內獲得原型糾纏加速度計芯片。

量子糾纏雖然無視距離，但也極易受到外界干擾。量子傳感器利用了這種敏感性來幫助檢測周圍環(huán)境中最輕微的干擾。

「以前我們對量子增強光機械傳感的研究，主要集中在提高單個傳感器的靈敏度上，」該研究的主要作者、亞利桑那大學圖森分校的量子物理學家 Yi Xia 表示。「然而，最近的理論和實驗研究表明，糾纏可以大幅提高多個傳感器之間的靈敏度，這種方法被稱為分布式量子傳感。」

光機械傳感器的機制依賴于兩個同步的激光束。一束光束被稱為振蕩器的組件反射，振蕩器的任何運動都會改變光在到達檢測器的途中傳播的距離。當第二條光束與第一條光束重疊時，任何此類行進距離差異都會顯現(xiàn)出來。如果傳感器靜止不動，則兩個光束完全對齊；如果傳感器移動，重疊的光波會產生干涉圖案，可透露出傳感器運動的大小和速度。

這項新研究中，亞利桑那大學 Dal Wilson 小組的傳感器使用膜作為振蕩器，它的作用很像敲擊后振動的鼓皮。

在這里，研究人員沒有讓一束光束照射一個振蕩器，而是將一束紅外激光束分成兩束糾纏光束，它們從兩個振蕩器反射到兩個探測器上。這種光的糾纏性質本質上讓兩個傳感器分析一束光，從而共同提高速度和精度。

「我們可以利用糾纏來增強多個光機械傳感器的力傳感性能，」該研究的主要作者、密歇根大學安娜堡分校的量子物理學家 Zheshen Zhang 說。

此外，為了提高設備的精度，研究人員采用了所謂的「壓縮光」。壓縮光利用了量子物理學的一個關鍵原則：海森堡的測不準原理（海森堡不確定性原理），該原理指出，粒子的位置確定，動量就完全不確定，動量確定，位置就完全不確定。壓縮光利用這種權衡來「壓縮」或減少給定變量測量的不確定性 —— 在這種情況下，構成激光束的波的相位，同時增加了另一個變量測量的不確定性，但研究人員可以忽略。

「我們是少數能夠制造壓縮光源的團隊之一，目前正在探索將其作為下一代精密測量技術的基礎，」Zheshen Zhang 說道。

總而言之，科學家們能夠收集到的測量結果比使用兩個未糾纏的光束更精確 40%，并且速度提高了 60%。此外他們表示，這種方法的精度和速度預計會隨著傳感器數量的增加而增加。

「這些發(fā)現(xiàn)意味著我們可以進一步將超精密力傳感的性能提升到前所未有的水平，」Zheshen Zhang 表示。

研究人員表示，改進光機械傳感器不僅可以帶來更好的慣性導航系統(tǒng)，還可以幫助探測暗物質和引力波等神秘現(xiàn)象。暗物質是一種不可見的物質，被認為占宇宙中所有物質總量的六分之五，檢測它可能產生的引力效應可以幫助科學家弄清楚它的性質。引力波是時空結構中的漣漪，可以幫助揭示從黑洞到大爆炸的奧秘。

下一步，科學家們計劃將他們的系統(tǒng)小型化。目前人們已經可以在只有半厘米寬的芯片上放置壓縮光源。在未來一兩年內，我們有望擁有原型芯片，其中包括壓縮光源、分束器、波導和慣性傳感器。「這將使這項技術更實用、更實惠、更容易獲取，」Zheshen Zhang 說道。

此外，研究團隊目前正在與霍尼韋爾、噴氣推進實驗室、NIST 和其他幾所大學合作開發(fā)芯片級量子增強慣性測量單元。Zheshen Zhang 表示：「我們的愿景是在自動駕駛車輛和航天器中部署此類集成傳感器，以在沒有 GPS 信號的情況下實現(xiàn)精確導航。