量子纠缠破解“远距离幽灵般的动作”之谜

2023-05-12 15:23

文/陈根

据《自然·光子学》期刊发表的一项最新研究显示：量子纠缠显著提高了传感器的精度，这些传感器可以在没有GPS的情况下进行导航。这让令爱因斯坦感到不安的“远距离幽灵般的动作”这一神秘现象，逐渐变得平淡无奇。

量子纠缠的特殊耦合现象

所谓量子纠缠（quantum entanglement），是指量子力学中的一种奇特现象，它是发生在粒子之间的一种特殊耦合。当两个或多个基本粒子处于纠缠态时，它们之间的状态是相互依存的，我们无法单独描述某个粒子的性质，只能描述整体系统的性质的现象。无论粒子之间的距离有多远，即便是相隔着整个宇宙，一方的测量结果也会影响另一方的状态，甚至能够在瞬间传递信息。

量子纠缠这种看似矛盾和反直觉的行为已在许多实验中得到证实，并被认为是量子力学最迷人和神秘的方面之一。关于量子纠缠的研究在量子信息和量子通信领域得到了广泛的应用，如量子密码、量子密钥分发等。

量子纠缠与光机械传感器

通过对亚利桑那大学完成的实验的结果分析，“通过量子纠缠，不仅提高了测量灵敏度，也提高了测量的速度。”密歇根大学电气和计算机工程系副教授Zheshen Zhang介绍，实验使用光束对干扰进行响应。通过光学机械传感器测量干扰机械传感装置的力，而机械传感装置会响应地移动；然后用光波测量该运动。

光机械传感器的机制依赖于两个同步的激光束。一束光束被称为振荡器的组件反射，振荡器的任何运动都会改变光在到达检测器的途中传播的距离。当第二条光束与第一条光束重叠时，任何此类行进距离差异都会显现出来。如果传感器静止不动，则两个光束完全对齐；如果传感器移动，重叠的光波会产生干涉图案，可透露出传感器运动的大小和速度。

在这个过程中，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精确。它还可以使光机械传感器寻找非常微妙的力量，如识别暗物质的存在。作为一种不可见的物质，暗物质被认为占宇宙中所有物质总量的六分之五，检测它可能产生的引力效应可以帮助科学家弄清楚它的性质。

量子传感器的应用前景

“以前我们对量子增强光机械传感的研究，主要集中在提高单个传感器的灵敏度上。”亚利桑那大学图森分校的量子物理学家 Yi Xia 表示，“最近的理论和实验研究表明，纠缠可以大幅提高多个传感器之间的灵敏度，这种方法被称为分布式量子传感。”另外，量子纠缠虽然无视距离，但也极易受到外界干扰。量子传感器则可以利用这种敏感性来帮助检测周围环境中最轻微的干扰。

“我们的愿景是在自动驾驶车辆和航天器中部署此类集成传感器，可以在没有 GPS 信号的情况下实现精确导航。”Zheshen Zhang 表示，在未来一两年内，科学家们有望拥有原型芯片，其中包括压缩光源、分束器、波导和惯性传感器；而这将使这项技术更实用、更实惠、更容易获取。

原文标题 : 陈根：量子纠缠破解“远距离幽灵般的动作”之谜