突破经典极限的被陷离子测量电场

利用纠缠粒子的奇异特性的量子传感器，原则上可以胜过经典器件。然而，到目前为止，科学家们一直在努力证明纠缠如何能在实际应用中提供“量子优势”。

近日，美国的研究人员展示了一个被捕获离子的“晶体”如何在灵敏度超出经典极限一个数量级的情况下测量位移和电场。他们说，这项技术非常适合测量假定的暗物质，暗物质通过弱电磁场与正常物质相互作用。

纠缠机械振荡器

纠缠涉及到量子粒子之间的相互依赖关系，无论它们相距多远，一个粒子的状态会立即确定另一个(其他)粒子的状态。这种现象可能会使各种新型传感器成为可能，从量子雷达到所谓的鬼成像。事实上，科学家已经利用纠缠来降低干涉探测器的相位噪声从而提高引力波探测器的灵敏度。

相反，最新的工作依靠纠缠来增强基于量子的机械振荡器的灵敏度。当受到弱共振力的作用时，这种装置的振幅会随时间发生小的相干变化。这个想法是在施加力之前，将振荡器的位移与系统的可测量特性纠缠在一起，将精度通常可达到量子力学的极限之外。

离子阵列

这个振荡器是由科罗拉多州博尔德的国家标准与技术研究所(NIST)的John Bollinger及其同事制作的，并借鉴了同样位于博尔德的NIST和JILA研究所的Ana Maria Rey及其同事进行的理论工作。该装置包含一个由150个铍-9离子组成的二维阵列，该阵列被放置在一个磁电陷阱中。这个离子晶体的质心的运动，大约有200微米宽，构成了(高Q值)振荡器。

为了测量振荡研究人员们使用微波将所有离子置于相同的自旋状态。接下来，他们用一对激光束将自旋与离子的集体运动耦合起来，激光束失谐，使其拍频大约等于质心共振频率。随着纠缠的建立，他们通过在一个陷阱电极上施加一个与谐振频率相同的交流电压，使振荡器处于运动状态。 研究人员发现，通过在时间上逆转纠缠过程，他们可以非常精确地测量振荡器的位移。使用用于纠缠的微波和激光频率，他们能够通过测量自旋状态读出位移(使用荧光)。

暗物质探测器?

研究人员们获得了比标准量子极限低近9分贝的位移灵敏度。同时，电场测量结果比传统的测量极限提高了4分贝，为240nV/m/s。 研究人员说，他们的新方案可以用来探测某些形式的暗物质，这种神秘的物质被认为构成了宇宙中大约80%的物质。这个想法是要测量被称为轴子或隐藏光子的非常弱的电磁相互作用所引起的振荡。

他们指出，系统对轴子的灵敏度是有限的，因为其磁场的小空间大小抑制了轴子产生的电场。尽管如此，他们估计在提高了10 nV/m/s的电灵敏度后，他们仅在一天的数据采集后就可以达到当前轴-光子耦合的最佳极限。他们认为，通过提高振荡器谐振频率的稳定性以及降低热噪声，可以相对容易地获得这种灵敏度。

图：这项工作依赖于捕获的铍离子(红点)的二维“晶体”，用它来测量微小位移和电场的灵敏度可突破经典极限。