曾经让爱因斯坦感到不安的“远距离幽灵般的动作”可能正在变得像目前在智能手机中测量加速度的陀螺仪一样平淡无奇。
根据《自然光子学》(Nature Photonics) 的一项新研究，量子纠缠显着提高了无需 GPS即可导航的传感器的精度。
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：“通过利用纠缠，我们提高了测量灵敏度和测量速度。”
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，它就像鼓皮一样，在受到推动后振动。光机械传感器可以用作加速度计，可以在没有GPS卫星的星球上或建筑物内用于惯性导航，因为人们在不同的楼层导航。
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准确。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。暗物质是一种不可见的物质，根据相关信息，其在宇宙中所占的质量是我们可以用光感知到的质量的五倍。它会用重力拉动传感器。
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。其中一个被传感器反射，传感器的任何移动都会改变光在到达探测器的路上的传播距离。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。但如果传感器在移动，它们会产生一种干扰模式，因为它们的波峰和波谷在某些地方相互抵消。这种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，系统就变得越精确。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公里的旅程中发出光。但这不适合智能手机。
为了实现小型化光学机械传感器的高精度，研究团队探索了量子纠缠。他们没有将光分开一次，使其从传感器和镜子上反射，而是将每束光分开第二次，使光从两个传感器和两个镜子上反射。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一起制造了膜装置。这些膜只有100纳米或0.0001毫米厚，在非常小的力的作用下移动。
将传感器加倍可提高准确性，因为膜应该彼此同步振动，但纠缠增加了额外的协调水平。研究团队通过“挤压”激光产生了纠缠。在量子力学对象中，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，所以这转化为波的相位和它的振幅。
亚利桑那大学博士毕业生、该论文的共同通讯作者Yi Xia说：“压缩重新分配了不确定性，从而更准确地知道压缩分量，而反压缩分量携带了更多的不确定性。我们压缩相位是因为这是我们测量需要知道的。”
在压缩光中，光子之间的关系更为密切。研究人员将光子通过分束器与汽车驶入高速公路的岔路口时发生的情况进行了对比。
他说：“有三辆车朝一个方向行驶，三辆车向另一个方向前进。但在量子叠加中，每辆车都朝两个方向行驶。现在左边的车与右边的车纠缠在一起。”
因为两个纠缠光束的波动是相关的，所以它们相位测量的不确定性是相关的。因此，借助一些数学魔法，该团队能够获得比使用两根未纠缠的光束更精确40%的测量结果，而且他们可以更快地完成测量60%。更重要的是，精度和速度预计会随着传感器数量的增加而提高。
研究人员表示，预计一系列增强纠缠的传感器将提供比现有传感技术数量级的性能增益，从而能够检测超出当前物理模型的粒子，打开通往尚未观察到的新世界的大门。
该团队的下一步是将系统小型化。他们已经可以将压缩光源放在边距仅半厘米的芯片上。他们希望在一两年内拥有带有压缩光源、分束器、波导和惯性传感器的原型芯片。
该研究发表于《自然光子学》上。
DOI: 10.1038/s41566-023-01178-0)
