被稱為糾纏的奇怪量子現象可以將原子和其他粒子連接在一起，從而使它們可以瞬間相互影響，而不受距離的限制。新的研究表明，利用糾纏可以獲得更準確、更快的量子傳感器，從而支持GPS等衛星導航技術。

量子傳感器依賴于可能出現的效應，因為從最小的角度來看，宇宙是一個模糊的地方。眾所周知，這些量子效應對外界干擾非常脆弱。然而，量子傳感器利用了這一漏洞，以應對環境中最輕微的干擾。

量子傳感器越來越達到前所未有的靈敏度和準確性，用于潛在的應用，如探測思想磁場、發現隱藏的地下結構和資源、幫助月球車探測月球巖石中的氧氣以及收聽暗物質的無線電波。

原子鐘是目前最精確的計時器，也可以作為量子傳感器。原子鐘監測原子的振動，類似于落地擺鐘通過擺動的鐘擺來計時。光學原子鐘使用激光束捕獲和監測原子，目前的精度低至1阿秒，即十億分之一秒的十億分之一。

原子鐘除了計時外，還有許多可能的應用。例如，它們是GPS和其他全球導航衛星系統（GNSS）所依賴的精確定時信號的關鍵，以幫助用戶精確定位自己的位置。

科羅拉多大學博爾德分校（CU Boulder）的量子物理學家Ana Maria Rey解釋說，糾纏在理論上有助于改進量子傳感器，她是詳細介紹這項新研究的資深作者之一。當單個原子被用作量子傳感器，它們在能態之間移動時，它們本質上是有噪聲的。然而，當原子糾纏在一起時，它們一致的行為方式可以減少噪音。這使得糾纏原子的信號更加清晰，改善了實際測量，并減少了獲得可靠結果所需的時間。

理論上，糾纏可以將宇宙兩端的粒子連接起來。在實踐中，很難將相距較遠的原子糾纏在一起。原子與離它們最近的原子有更強的相互作用；距離越大，它們之間的相互作用就越弱。科學家們希望增加他們可以糾纏粒子的最大距離，因為這也可以增加他們總共可以糾纏的粒子數量。

在他們的新研究中，Rey和她的同事們開發了一種新的方法來糾纏原子，盡管它們相距遙遠。Rey說：“這為模擬無限范圍的互動開辟了一條途徑。”

在他們的實驗中，科學家們排列了51個電捕獲的鈣離子，每個離子相距約5微米。他們使用激光在離子中產生被稱為聲子的準粒子振動。這些聲子沿著原子線壓縮，這樣它們就可以共享量子信息并糾纏在一起。

產生糾纏的一種方法是通過一種稱為自旋擠壓的過程。所有遵循量子物理規則的物體都可以同時以多種能態存在，這種效應被稱為疊加。自旋壓縮在某些方面將所有這些可能的疊加態減少到只有幾種可能性，而在其他方面則將其擴展。

在短時間內，相互作用的離子糾纏在一起，形成了一種自旋壓縮態。然而，隨著時間的推移，它們轉變為“貓狀態（https://spectrum.ieee.org/schrodingers-cat-qubit）”。這些狀態由成對的狀態組成，彼此截然相反，就像著名的思維實驗薛定諤貓所經歷的模糊的生與死狀態一樣。Rey說，貓的狀態是高度糾纏的，這使得它們對傳感器特別有用。

先前的研究設計了原子之間的靜態連接，因為每個原子只能與特定的離子陣列相互作用。然而，在這項新的研究中，科學家們對激光進行了失諧，產生的磁場可能會使連接隨著時間的推移而改變。這意味著一個最初只能與一組原子相互作用的原子最終可以轉換為與陣列中的所有其他原子相互作用。

奧地利因斯布魯克大學的量子物理學家Christian Roos是該研究的另一位資深合著者，他說：“我們首次證明了如何產生能隨粒子數量而變化的糾纏。”Roos、Rey和他們的同事于8月30日在《自然》雜志上詳細介紹了他們的發現（https://www.nature.com/articles/s41586-023-06472-z）。

Roos說，有了12個離子，科學家們發現他們的新技術可以將傳感器中的噪聲降低兩倍多一點。Rey說，未來，他們計劃將離子捕獲在二維排列中，而不是線性鏈中，這可以幫助他們“捕獲更多的離子并加快動力學，產生更好的糾纏”。

Roos表示，總的來說，研究人員希望“在最先進的時鐘中實現這一策略，這些時鐘可以處理3D陣列中捕獲的數千個粒子，因此原則上可以創建出有史以來最精確的傳感器”。

自旋壓縮糾纏也有利于光學原子鐘。在另一項研究中，同樣位于科羅拉多大學博爾德分校的另一組研究人員使用激光將鍶原子固定在一個二維平面中。被稱為光鑷子的精細控制光束將原子分成16到70個原子的組。利用高功率紫外線激光，科學家們將這些原子的電子激發到遠離原子核的Rydberg軌道（https://spectrum.ieee.org/neutral-atom-qubit）。

Rydberg軌道的能量性質可以導致原子強烈地相互作用，如相互糾纏。利用自旋壓縮，科學家們在多達70個原子的陣列中產生了糾纏。

使用這些糾纏陣列的時鐘顯示的信噪比大約是未糾纏時鐘顯示的1.5倍。這種精度的提高也可以被解釋為更好的速度：該研究的資深作者、科羅拉多大學博爾德分校的物理學家Adam Kaufman說，糾纏時鐘可以在非糾纏時鐘所需時間的一半內達到給定的測量精度。

Kaufman提到，未來的研究可以探索除了自旋壓縮之外產生糾纏的其他方法，看看它們是否會提高測量精度。他和他的同事還在8月30日的《自然》雜志上詳細介紹了他們的發現（https://doi.org/10.1038/s41586-023-06360-6）。

審核編輯：彭菁