白光干涉仪原理：纠缠的物质波干涉仪
白光干涉仪原理：纠缠的物质波干涉仪在第二种方法中，注入腔体的光导致原子经历单轴扭曲，在这个过程中，每个原子的量子噪声与所有其他原子的量子噪声相关，以便它们可以合谋变得更安静。“原子有点像孩子们互相喊叫，让他们安静下来，这样他们就可以听到老师答应给他们的派对，但在这里，正是纠缠在一起，”汤普森说。该小组设计了两种不同的实验方法，并在最近的工作中都使用了这种方法。在第一种方法中，称为量子非破坏测量，他们对与其原子相关的量子噪声进行预测量，并简单地从最终测量中减去量子噪声。通过加倍观察幽灵，未来的量子传感器将能够提供更精确的导航，探索所需的自然资源，更精确地确定基本常数，如精细结构和引力常数，更精确地观察暗物质，甚至有一天探测到引力波。产生纠缠要将两个物体缠绕在一起，通常必须使它们非常非常接近，以便它们可以相互作用。汤普森小组已经学会了如何纠缠数千到数百万个原子，即使它们相距几毫米或更远。它们通过使用在镜子之间反射的光（称为光学
干涉仪内纠缠原子的渲染图。图片来源：史蒂文·伯罗斯，汤普森集团/JILA
JILA和NIST研究员James K. Thompson的研究小组首次成功地结合了量子力学的两个“最可怕”的特征，制成了更好的量子传感器：原子之间的纠缠和原子的离域化。
爱因斯坦最初将纠缠称为在远处产生幽灵般的动作 - 量子力学的奇怪效应，其中一个原子发生的事情以某种方式影响另一个原子在其他地方。纠缠是希望的量子计算机，量子模拟器和量子传感器的核心。
量子力学中第二个相当令人毛骨悚然的方面是离域化，即单个原子可以同时位于多个地方。正如他们最近发表在《自然》杂志上的论文中所述，汤普森小组将纠缠和离域的幽灵性结合起来，实现了一种物质波干涉仪，该干涉仪可以感知加速度，其精度首次超过了标准量子极限（量子水平实验测量精度的限制）。
通过加倍观察幽灵，未来的量子传感器将能够提供更精确的导航，探索所需的自然资源，更精确地确定基本常数，如精细结构和引力常数，更精确地观察暗物质，甚至有一天探测到引力波。
产生纠缠
要将两个物体缠绕在一起，通常必须使它们非常非常接近，以便它们可以相互作用。汤普森小组已经学会了如何纠缠数千到数百万个原子，即使它们相距几毫米或更远。它们通过使用在镜子之间反射的光（称为光学腔）来做到这一点，以允许信息在原子之间跳跃并将它们编织成纠缠状态。使用这种独特的基于光的方法，他们创建并观察了任何系统中产生的一些最高度纠缠的状态，无论是原子，光子还是固态。
该小组设计了两种不同的实验方法，并在最近的工作中都使用了这种方法。在第一种方法中，称为量子非破坏测量，他们对与其原子相关的量子噪声进行预测量，并简单地从最终测量中减去量子噪声。
在第二种方法中，注入腔体的光导致原子经历单轴扭曲，在这个过程中，每个原子的量子噪声与所有其他原子的量子噪声相关，以便它们可以合谋变得更安静。“原子有点像孩子们互相喊叫，让他们安静下来，这样他们就可以听到老师答应给他们的派对，但在这里，正是纠缠在一起，”汤普森说。
质波干涉仪
当今最精确和最精确的量子传感器之一是物质波干涉仪。这个想法是，人们使用光脉冲使原子同时移动而不移动，方法是同时吸收和不吸收激光。这导致原子随着时间的推移同时同时位于两个不同的地方。
正如研究生罗成一所解释的那样，“我们在原子上照射激光束，所以我们实际上将每个原子的量子波包分成两部分，换句话说，粒子实际上同时存在于两个独立的空间中。随后的激光脉冲然后逆转将量子波包重新组合在一起的过程，以便环境中的任何变化（例如加速度或旋转）都可以通过原子波包的两个部分发生的可测量的干扰量来感知，就像在普通干涉仪中对光场所做的那样， 但在这里有德布罗意波，或由物质组成的波。
JILA研究生团队想出了如何在具有高反射镜的光学腔内完成所有这些工作。他们可以测量原子在伽利略的引力实验的量子版本中沿着垂直定向的空腔下降的距离，从比萨斜塔上掉落物品，但具有量子力学带来的精度和准确性的所有好处。
将幽灵感加倍
通过学习如何操作光学腔内的物质波干涉仪，由罗成一和Graham Greve领导的研究生团队能够利用光物质相互作用在不同原子之间产生纠缠，从而对重力引起的加速度进行更安静，更精确的测量。这是第一次有人能够观察到物质波干涉仪，其精度超过了未纠缠原子的量子噪声所设定的标准量子极限。
由于精度的提高，像罗和汤普森这样的研究人员看到了利用纠缠作为量子传感器资源的许多未来好处。汤普森说：“我认为有一天，我们将能够在物质波干涉仪中引入纠缠，以检测太空中的引力波，或用于暗物质搜索 - 探测基础物理学的东西，以及可用于导航或大地测量学等日常应用的设备。
随着这一重大的实验进步，Thompson和他的团队希望其他人能够使用这种新的纠缠干涉仪方法来推动物理学领域的其他进步。汤普森乐观地说：“通过学会驾驭和控制我们已经知道的所有幽灵，也许我们可以发现关于宇宙的新幽灵，我们甚至还没有想到。
更多信息：Graham P. Greve等人，高精细腔中的纠缠增强物质波干涉测量，自然（2022）。DOI： 10.1038/s41586-022-05197-9
期刊信息：自然
