量子纠缠可以使加速度计和暗物质传感器更准确

实验方案和测量功率谱。来源：自然光子学（2023 年）。DOI： 10.1038/s41566-023-01178-0

曾经让爱因斯坦感到不安的“幽灵般的远距离动作”可能正在变得像目前测量智能手机加速度的陀螺仪一样行人。

量子纠缠显着提高了传感器的精度，这些传感器可用于在没有GPS的情况下进行导航，根据Nature Photonics的一项新研究。

“通过利用纠缠，我们提高了测量灵敏度以及我们进行测量的速度，”密歇根大学电气和计算机工程副教授，该研究的共同通讯作者Zheshen Zhang说。这些实验是在亚利桑那大学完成的，张当时在那里工作。

光机械传感器测量干扰响应移动的机械传感设备的力。然后用光波测量该运动。在这个实验中，传感器是膜，其作用类似于鼓面，在受到推动后会振动。光机械传感器可以用作加速度计，可用于在没有GPS卫星的行星上或在建筑物内进行惯性导航，因为一个人在不同的楼层导航。

量子纠缠可以使光机械传感器比目前使用的惯性传感器更精确。它还可以使光机械传感器寻找非常微妙的力，例如识别暗物质的存在。暗物质是看不见的物质，据信它占宇宙质量的五倍，比我们用光所能感知的质量多五倍。它会用引力拉动传感器。

以下是纠缠如何改进光机械传感器：

光机械传感器依赖于两个同步的激光束。其中一个从传感器反射，传感器中的任何移动都会改变光在到达探测器的途中传播的距离。当第二波与第一波重叠时，行进距离的差异就会显现出来。如果传感器静止，则两个波完全对齐。

但是，如果传感器在移动，它们会产生干涉图案，因为它们的波的波峰和波谷在某些地方相互抵消。该模式揭示了传感器中振动的大小和速度。

通常在干涉测量系统中，光传播得越远，系统就越精确。地球上最灵敏的干涉测量系统，激光干涉仪引力波天文台，在8公里的旅程中发送光。但这不适合智能手机。

为了实现小型化光机械传感器的高精度，张的团队探索了量子纠缠。他们不是将光分开一次，使其从传感器和镜子上反弹，而是第二次分裂每个光束，使光线从两个传感器和两个镜子上反弹。亚利桑那大学光学科学助理教授Dalziel Wilson和他的博士生Aman Agrawal和Christian Pluchar一起建造了膜装置。

这些膜只有100纳米（或0.0001毫米）厚，响应于非常小的力而移动。

将传感器加倍可以提高精度，因为膜应该彼此同步振动，但纠缠增加了额外的协调水平。张的团队通过“挤压”激光创造了纠缠。在量子力学物体中，例如构成光的光子，对粒子的位置和动量的了解程度存在基本限制。因为光子也是波，这转化为波的相位（它处于振荡状态）和振幅（它携带多少能量）。

“挤压重新分配了不确定性，因此更精确地知道挤压成分，而反挤压成分携带更多的不确定性。我们挤压了相位，因为这是我们测量需要知道的，“亚利桑那大学张实验室最近的博士毕业生夏毅说，他是该论文的共同通讯作者。

在挤压光中，光子彼此之间的关系更密切。张对比了当光子通过分束器时会发生什么，汽车来到高速公路的岔路口。

“你有三辆车朝一个方向行驶，三辆车朝另一个方向行驶。但在量子叠加中，每辆车都是双向的。现在左边的汽车与右边的汽车纠缠在一起，“他说。

由于两个纠缠光束中的波动是相互关联的，因此它们的相位测量中的不确定性是相关的。因此，通过一些数学魔法，该团队能够获得比两个未纠缠光束精确40%的测量结果，并且可以更快地完成60%。更重要的是，精度和速度预计将与传感器的数量成正比。

“可以设想，一系列纠缠增强传感器将提供比现有传感技术数量级的性能提升，从而能够检测超出当前物理模型的粒子，从而打开通往尚未观察到的新世界的大门，”张说。

该团队的下一步是使系统小型化。他们已经可以将挤压光源放在一侧仅半厘米的芯片上。他们希望在一两年内拥有带有挤压光源，分束器，波导和惯性传感器的原型芯片。

更多信息：夏毅，纠缠增强光机械传感，自然光子学（2023）。DOI：10.1038/s41566-023-01178-0。www.nature.com/articles/s41566-023-01178-0

期刊信息：Nature Photonics