遙遠的糾纏原子充當單個傳感器，提供驚人的分辨率

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在一起時，即使物體相距很遠，對它們進行的測量也可以保持緊密的聯繫。這些意想不到的統計聯繫在經典物理學中無法解釋。這種效應看起來好像一個物體的測量以某種方式影響了遠處的另一個物體。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 年諾貝爾物理學獎認可。

使用遠程聯鎖進行精確測量

在此基礎上，由巴塞爾大學的 Philipp Trütlein 教授和巴黎卡斯特勒-布魯塞爾實驗室 (LKB) 的 Alice Sinatra 教授領導的團隊證明，空間中離散量子物體之間的糾纏可以發揮實際作用。他們的工作表明，空間離散但互鎖的系統可用於同時測量多個物理參數，並提高準確性。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，現已成為一個成熟的研究領域，”特勞特林說。大約十五年前，他和他的合作者是最早將超冷原子自旋關聯起來的人之一。這些自旋可以想像成微小的羅盤針，與每個原子在沒有糾纏的情況下獨立運行相比，可以更精確地測量這些自旋。

“然而，這些原子都在同一個位置。我們現在通過將原子分佈到最多三個空間上分離的雲中來擴展這個概念。因此，糾纏效應在一定距離內起作用，就像 EPR 悖論一樣，”特勞特林解釋道。

用糾纏原子云繪製場圖

這種方法對於研究隨空間變化的數量特別有用。例如，有興趣測量電磁場如何從一個地方到另一個地方變化的研究人員可以使用物理上分離的糾纏原子自旋。與在一處進行的測量一樣，糾纏減少了量子效應產生的不確定性。它還可以以同樣的方式消除影響所有原子的干擾。

“到目前為止，還沒有人利用空間上離散的糾纏原子云進行這樣的定量測量，而且這種測量的理論框架也仍然不清楚，”Treutlen 小組的博士後研究員 Yifan Li 說。該團隊與 LKB 的同事一起研究瞭如何在使用糾纏雲測量電磁場的空間結構時減少不確定性。

為此，研究人員首先將原子自旋糾纏在單個雲中。然後他們將雲分成三部分，三部分仍然相互糾纏。僅使用少量測量，他們就能夠確定場分佈，其分辨率明顯高於沒有跨空間糾纏的情況。

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，”巴塞爾集團的博士生 Lex Jostin 說。在這些時鐘中，原子被排列在網格中的激光束固定到位，充當極其精確的“發條裝置”。新方法可以減少由原子在晶格內的分佈方式引起的特定誤差，從而實現更精確的計時。

同樣的策略還可以改進用於測量地球重力加速度的原子乾涉儀。在一些稱為重力計的應用中，科學家們關注重力如何在空間中變化。使用糾纏原子可以比以前更精確地測量這些差異。