量子纠缠助力研究人员以远超经典极限的精度测量电场

理论上来说，利用纠缠粒子神奇特性的量子传感器，其性能将优于传统器件。然而目前为止，科学家们尚不清楚如何将量子纠缠应用到实际中去。

日前，美国的研究人员展示了一项技术：由囚禁离子组成的“晶体”，能以远超经典力学极限的灵敏度测量位移和电场。研究人员声称，由于暗物质通过弱电磁场与普通物质相互作用，因此此项技术非常适用于测定假定的暗物质。

图1 此项研究的作者之一：美国国家标准与技术研究院（National Institute of Science and Technology, NIST）的物理学家John Bollinger（左）与Matt Affolter。此项研究使用激光探测捕获的铍离子二维阵列进行超灵敏的电场测量。据称，此项技术可用于探测宇宙中难以观测到的暗物质

纠缠与机械谐振器

纠缠指量子粒子之间的相互联系——即无论粒子之间相距多远，通过一个粒子的状态可实时确定另一个粒子的状态。这一现象有望应用于量子雷达、鬼成像等一系列新型传感器中。在实际中，科学家们已使用纠缠降低了干涉探测器的相位噪声，以提高引力波探测器的灵敏度。

而在此项最新工作中，研究人员利用纠缠增强了量子机械谐振器的灵敏度。当受到弱共振力的作用时，这种装置的振幅会随时间发生微小相干变化。研究人员的设想是在力作用之前，将谐振器的位移与系统某一可测量特性相纠缠，从而精度提高至量子力学极限之外。

离子阵列

这一谐振器由位于科罗拉多州博尔德的国家标准与技术研究所的John Bollinger及其同事制作，其设计借鉴了Ana Maria Rey及国家标准与技术研究所和JILA研究所其他同事的理论工作。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阱中。这一离子晶体的质心的运动宽约200微米，构成了一个高Q值的振荡器。

图2 这项工作的核心是囚禁的铍离子（图中红点所示）组成的二维“晶体”，能够以远超经典极限的灵敏度测量微小位移和电场

为测量振荡，Bollinger及其同事们借助微波，将所有离子置于相同的自旋状态。然后，用一对激光束将自旋与离子的集体运动相耦合，随后使激光失谐，即使其拍频约等于质心共振频率。纠缠建立后，在一个陷阱电极上施加一个与谐振频率相同的交流电压，使振荡器运动。

研究人员发现，通过在时间上逆转纠缠过程，能够极其精确地测量振荡器的位移。使用产生纠缠同样的微波及激光频率，即可通过测量自旋状态读出位移大小。

暗物质探测器

回到振荡器的位移，Bollinger及其同事实现了比标准量子极限低近9 dB的灵敏度；同时，电场测量结果比传统测量结果提高了4 dB，约达到每米每秒240纳伏。

研究人员说，这一新方案可以用于探测某些形式的暗物质（暗物质是一种被认为构成了宇宙中约80%物质的神秘物质）。即通过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，由于磁场范围小、抑制了轴子产生的电场，因此系统对轴子的灵敏度有限。尽管如此，研究人员估计，将电场灵敏度提高至10 nV/m/s后，仅采集一天的数据，即可达到当前轴-光子耦合的最佳极限。他们认为，通过进一步提高振荡器谐振频率的稳定性以及降低热噪声，将能够更加容易达到此灵敏度。

除了这些改进之外，研究人员还设想了其他的改进方式：比如使含100万个离子的三维晶体、提高陷阱磁场的大小和强度等。他们认为，这些改进能将探测暗物质的灵敏度提高“三个数量级”之多。