巴塞爾大學和卡斯特勒·布羅塞爾實驗室的研究人員表明，量子糾纏可用於同時測量多個物理量，其精度比傳統方法更高。
糾纏通常被描述為量子物理學中最神秘的效應之一。當兩個量子物體糾纏時，即使物體相距很遠，對這些物體進行的測量仍然緊密相連。這些意想不到的統計聯繫在經典物理學中無法解釋。這種效果可能看起來好像一個物體的測量從遠處影響另一個物體。這種現像被稱為“愛因斯坦-波多爾斯基-羅森悖論”，已被實驗證實，並獲得2022年諾貝爾物理學獎。
利用遠程障礙物進行精確測量
在此基礎上，巴塞爾大學的 Philipp Treutlein 教授和巴黎卡斯特勒布羅塞爾實驗室 (LKB) 的 Alice Sinatra 教授領導的團隊表明，空間中分離的量子物體之間的糾纏可以提供服務。實際目的他們的工作表明，空間分離但糾纏的系統可用於同時測量多個物理參數，並提高精度。該研究結果最近發表在《科學》雜誌上。
“量子計量學，利用量子效應來改進物理量的測量。它現在已成為一個成熟的研究領域，”大約十五年前，Treutlein 說道。他和他的合作者是最早提出超冷原子自旋的人之一。這些旋轉可以想像為一個小指南針。與單個原子單獨行為而不相互纏繞相比，它可以更準確地測量。
然而，這些原子都位於同一個位置，Treutlein 解釋道：“我們現在通過將原子分佈到最多三個獨立的雲中來擴展這個想法。結果是遠距離作用的糾纏效應。就像 EPR 悖論一樣。”
用糾纏原子云繪製場圖
這種方法對於研究跨空間變化的量特別有用，例如對測量電磁場如何從一個位置到另一個位置變化感興趣的研究人員。它可以利用物理上分離的糾纏原子的自旋。這同樣適用於在單個位置進行的測量。糾纏減少了量子效應引起的不確定性。另外，影響所有原子的干擾也可以用同樣的方式消除。
“到目前為止，還沒有人利用空間上分離的糾纏原子云進行這種量子測量。而且這種測量的理論框架仍然不清楚，”特魯特蘭小組的博士後李一凡說。該團隊與 LKB 的同事一起研究了在使用糾纏雲測量電磁場空間結構時減少不確定性的方法。
為了做到這一點，研究人員已經陷入了單一云內原子自旋的糾纏之中。然後他們將雲分成仍然交織在一起的三部分。只需進行幾次測量，他們就能夠以比沒有空間糾纏的情況更高的精度清楚地確定磁場分佈。
在原子鐘和重力計中的應用
“我們的測量協議可以直接應用於現有的精密儀器，例如光學晶格鐘，”巴塞爾小組的博士生 Lex Joosten 說。原子通過排列在晶格中的激光束結合在一起，充當極其精確的“時鐘機構”。這種新方法可以減少由晶格內原子分佈引起的局部誤差。這導致更準確的計時。
同樣的策略可以改進原子乾涉儀。用於測量地球重力加速度。在一些稱為“圖形儀”的應用中，科學家們重點關注空間重力的變化。使用糾纏原子可以比以往更精確地測量這些變化。
