远大物体之间实现量子纠缠–可能实现测量的无限精度

光传播通过中心所示的原子云，然后落在左侧所示的SiN膜上。与光相互作用的结果是原子自旋的进动和膜的振动成为量子相关的。这是原子与膜之间纠缠的本质。

哥本哈根大学尼尔斯波尔研究所的一组研究人员成功地纠缠了两个非常不同的量子物体。该结果在超精密传感和量子通信中具有多个潜在应用，现已发表在《自然物理学》上。

纠缠是量子通信和量子感测的基础。可以理解为两个对象之间的量子链接，这使它们表现为单个量子对象。

现在，来自哥本哈根大学尼尔斯波尔研究所的研究人员成功地使两个截然不同且遥远的物体纠缠在一起。一个是机械振荡器，一个振动的介电膜，另一个是原子云，每个原子都充当一个微小的磁体-物理学家称之为自旋。现在，通过将它们与光子，光粒子连接起来，可以使这些非常不同的实体纠缠在一起。原子可用于处理量子信息，而膜（或通常为机械量子系统）可用于存储量子信息。

领导这项工作的尤金·波尔齐克教授说：“借助这项新技术，我们正努力突破纠缠可能性的界限。物体越大，它们之间的距离越远，它们之间的距离就越远，从基本角度和应用角度来看，它们之间的纠缠就越有趣。有了新的结果，就可以在非常不同的对象之间进行纠缠。”

什么是纠缠，如何应用？

为了了解新结果的全部范围，准确了解纠缠的概念意味着什么很重要：

坚持以与机械膜缠绕在一起的自旋为例，想象一下振动膜的位置和所有原子的总自旋的倾斜度，类似于自旋顶部。如果两个对象随机移动，但是我们可以观察到它们同时向右或向左移动，则称其为相关。这种相关运动通常仅限于所谓的零点运动，即即使在绝对零温度下，所有物质的残留，不相关的运动。这限制了我们对任何系统的了解。在他们的实验中，尤金·波尔齐克（Eugene Polzik）的团队纠缠了这些系统，这意味着它们以关联的方式运动，其精度要高于零点运动。团队成员MichałParniak说：“量子力学就像一把双刃剑，它为我们提供了很棒的新技术，但也限制了测量的精度，从经典的角度来看，这似乎很容易。”纠缠的系统即使彼此相距遥远，也可以保持完美的关联-这一功能使研究人员从100多年前的量子力学诞生时就感到困惑。

博士生ChristofferØstfeldt进一步解释：“想象一下将量子状态实现为一种具有不同现实和情况，性质和潜能非常不同的动物园的不同方式。例如，如果我们希望构建某种设备，以利用它们都具有的不同品质，并在其中执行不同的功能并完成不同的任务，则有必要发明一种他们都具备的语言说话。量子态需要能够通信，以便我们利用设备的全部潜能。这就是动物园中两个元素之间的纠缠表明我们现在有能力做到的。”

纠缠不同量子物体的观点的一个特定示例是量子感测。不同的物体对不同的外力具有敏感性。例如，机械振荡器用作加速度计和力传感器，而原子自旋则用于磁力计。当两个不同的纠缠对象中的只有一个受到外部干扰时，纠缠允许以不受对象零点波动限制的灵敏度进行测量。

新技术的未来应用前景

将该技术同时应用于小型和大型振荡器的检测存在相当大的可能性。近年来，最大的科学新闻之一是由激光干涉仪引力波天文台（LIGO）首次检测到重力波。LIGO感应并测量了由深空天文学事件（例如黑洞合并或中子星合并）引起的极其微弱的波。可以观察到这些波，因为它们会摇动干涉仪的镜面。但是，即使LIGO的灵敏度也受到量子力学的限制，因为激光干涉仪的反射镜也会因零点波动而产生抖动。这些波动导致噪声，从而无法观察到由引力波引起的镜子的微小运动。

可能达到的无限精确的测量

原则上，有可能使LIGO反射镜与原子云发生纠缠，从而以与本实验中的膜噪声相同的方式消除反射镜的零点噪声。反射镜和原子自旋之间由于它们的纠缠而形成的完美相关性可用于此类传感器中，从而从根本上消除不确定性。它仅要求我们从一个系统中获取信息，然后将知识应用到另一个系统中。通过这种方式，我们可以同时了解LIGO镜子的位置和动量，进入所谓的无量子力学子空间，并朝着运动测量的无限精度迈进了一步。尤金·波尔齐克（Eugene Polzik）的实验室正在进行示范实验，证明了这一原理。

参考：Rodrigo A. Thomas，MichałParniak，ChristofferØstfeldt，Christoffer B.Møller，ChristianBærentsen，Yehshishe Tsaturyan，Albert Schliesser，JürgenAppel，Emil Zeuthen和Eugene S. Polzik撰写的“遥远的宏观机械和自旋系统之间的纠缠”，2020年9月21日，自然物理学。DOI：
10.1038 / s41567-020-1031-5