在科学领域，任何事物的实现与理解都离不开测量。如今，得益于量子传感技术的飞速发展，科学家们能够测量那些曾经难以想象的现象：例如原子的振动、单个光子的特性以及与引力波相关的微小波动。
一种被称为“自旋压缩”的量子力学技术被广泛认为能够提升全球最精确量子传感器的性能，但其实现一直面临挑战。在一项新研究中，哈佛大学的物理学家们展示了如何使自旋压缩变得更加可行。
自旋压缩是一种量子纠缠现象，它限制了粒子集合的波动方式。这使得对某些可观测信号的测量更加精确，但代价是对其他互补信号的测量精度降低——就像挤压气球时，牺牲了宽度以换取更高的高度。
“量子力学能够增强我们对微小信号的测量能力，”物理学教授、关于自旋压缩的《自然物理学》论文作者诺曼·姚(Norman Yao)表示。“我们已经证明，在比以往更广泛的系统中实现这种量子增强计量是可能的。”
在气球的比喻中，一个圆圈象征着任何量子测量固有的不确定性，论文的合著者、前格里芬艺术与科学研究生院的学生麦克斯韦·布洛克解释道。
“通过压缩这种不确定性，使气球更像一个椭圆，研究人员可以重新塑造测量的灵敏度，”布洛克说。“这意味着某些测量的精度可以超越没有量子力学的任何测量。”
例如，在LIGO实验中，类似自旋压缩的方法被用来提升获得诺贝尔奖的引力波探测器的灵敏度。
哈佛团队的研究建立在1993年一篇具有里程碑意义的论文之上，该论文首次探讨了原子之间“所有对所有”相互作用所带来的自旋压缩纠缠态的可能性。这种互动类似于大型Zoom会议，参与者们同时与其他人互动。
在原子之间，这种连接方式使得量子力学相关性的建立变得容易，从而诱导出自旋压缩态。然而，在自然界中，原子通常以一种更像电话游戏的方式相互作用，一次只与几个邻居交流。
“多年来，人们一直认为，只有通过所有对所有的相互作用，才能实现真正的量子增强自旋压缩，”该论文的联合主要作者、前格里芬艺术与科学研究生院的学生叶炳田表示。“但我们已经证明，这实际上要简单得多。”
在他们的论文中，研究人员提出了一种新的自旋压缩纠缠生成策略。他们直觉地认为，并与法国的合作者通过实验验证，自旋压缩的成分存在于自然界中常见的一种磁性中——铁磁性，这也是使冰箱磁铁粘在一起的力量。
他们假设，所有对所有的相互作用并不是实现自旋压缩的必要条件，只要自旋连接得足够好，可以同步到一个磁状态，它们也应该能够动态地产生自旋压缩。
研究人员乐观地认为，通过降低自旋压缩的实现障碍，他们的工作将激励量子科学家和工程师开发出更多便携式传感器的新方法，这些传感器在生物医学成像、原子钟等领域具有重要应用。
秉持这一精神，姚目前正在领导实验，利用氮空位中心制造自旋压缩量子传感器，氮空位中心是金刚石晶体结构中的一种缺陷，长期以来被认为是理想的量子传感器。
本文由哈佛大学官方报纸《哈佛公报》提供。更多大学新闻，请访问harvard.edu。
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希望本篇文章《量子传感的未来：物理学家开辟纠缠新路径》能对你有所帮助！
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