研究人员利用量子纠缠概念将导航传感器的精度上升到一个新的高度

曾经困扰爱因斯坦的"鬼魅的超距作用"这一神秘现象，可能很快就会像智能手机中用于测量加速度的陀螺仪一样普遍。最近发表在《自然-光子学》上的一项研究显示，量子纠缠大大增强了传感器的精度，这些传感器可以在没有GPS的情况下进行导航。

量子纠缠是量子力学中的一种现象，两个或更多的粒子可以成为相关的，一个粒子的状态取决于另一个粒子的状态，即使相隔很远。这意味着，一个粒子的状态变化可以瞬间影响另一个粒子的状态，而不考虑它们之间的距离。这种看似矛盾和反直觉的行为已在许多实验中得到证实，并被认为是量子力学最迷人和神秘的方面之一。

密歇根大学电气和计算机工程系副教授、该研究的共同通讯作者Zheshen Zhang说："通过利用纠缠，我们既提高了测量灵敏度，也提高了我们进行测量的速度。"实验是在亚利桑那大学完成的。

光学机械传感器测量干扰机械传感装置的力，而机械传感装置会响应地移动。然后用光波测量该运动。在这个实验中，传感器是膜，它的作用就像鼓头，在经历了一个推力之后会振动。光机械传感器可以作为加速度计使用，在没有GPS卫星的星球上可以用于惯性导航，或者在一栋大楼内，当一个人在不同楼层导航时，也可以使用。

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量，如识别暗物质的存在。暗物质是不可见的物质，据信它在宇宙中的质量是我们用光所能感知的质量的五倍。它将用引力拉扯传感器。

以下是纠缠如何改善光机械传感器的原理：

光学机械传感器依赖于两束同步的激光。其中一束从传感器中反射出来，而传感器中的任何运动都会改变光在到达检测器的途中所走的距离。当第二波与第一波重叠时，这种移动距离的差异就会显示出来。如果传感器是静止的，这两个波是完全一致的。但是，如果传感器在移动，它们会产生一个干扰模式，因为它们的波峰和波谷在某些地方会相互抵消。这种模式显示了传感器振动的大小和速度。

通常在干涉测量系统中，光走得越远，系统就越精确。地球上最敏感的干涉测量系统--激光干涉仪引力波观测站可以将光送入8公里的旅程，但这种规模的设备这是不可能装入智能手机的。

为了使小型化光学机械传感器达到高精度，Zhang的团队探索了量子纠缠。他们没有把光分成一次，让它在一个传感器和一个镜子上反弹，而是把每束光分成第二次，让光在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达尔齐尔-威尔逊与他的博士生阿曼-阿格拉瓦和克里斯蒂安-普鲁查一起建造了这些膜设备。这些膜只有100纳米或0.0001毫米厚，可以对非常小的力做出反应。

增加一倍的传感器可以提高精确度，因为膜的振动应该是相互同步的，但纠缠增加了额外的协调水平。研究小组通过"挤压"激光来创造纠缠。在量子力学物体中，例如构成光的光子，对一个粒子的位置和动量的了解程度有一个基本限制。因为光子也是波，这就转化为波的相位(它在振荡中的位置)和振幅(它携带多少能量)。

"这种挤压重新分配了不确定性，因此被挤压的部分可以更精确地知道，而反挤压的部分则带有更多的不确定性。我们挤压了相位，因为那是我们的测量需要知道的，"亚利桑那大学Zhang实验室刚毕业的博士生、该论文的共同通讯作者Yi Xia说。

在挤压的光线中，光子彼此之间的关系更加密切，研究人员将光子通过分光器时发生的情况与汽车在高速公路上走到岔路口形成对比。

"你有三辆车走一条路，三辆车走另一条路。但在量子叠加中，每辆车都是双向行驶的。现在左边的车与右边的车纠缠在一起，"他说。

因为两个纠缠的光束的波动是相关的，它们的相位测量的不确定性是相关的。因此，通过一些数学技巧，该团队能够得到比两个未纠缠的光束更精确的测量结果，而且他们可以以60%的速度完成。更重要的是，精度和速度有望与传感器的数量成比例上升。根据设想，纠缠增强型传感器阵列将比现有传感技术提供数量级的性能增益，以实现对目前物理模型以外的粒子的检测，为一个尚未被观察到的新世界打开大门。

该团队的下一步是将该系统小型化。目前，他们已经可以把挤压光源放在一个边长只有半厘米的芯片上。他们希望在一两年内拥有一个带有挤压光源、分束器、波导和惯性传感器的原型芯片。