奥地利因斯布鲁克大学的研究团队利用有限范围相互作用产生的原子纠缠，显著提高了原子的光学跃迁测量精度，展示了量子增强传感器中的优势。对原子系统中量子态的控制已经实现了迄今为止最精确的光学原子钟。然而，它们的灵敏度目前受到标准量子极限的限制，这是量子力学为非关联粒子设定的基本下限。但是，当与纠缠粒子一起操作时，可以克服这一限制。该研究代表了将纠缠整合到大量粒子运行的原子光钟中的关键一步，并有望用于更好地保护束缚光学量子比特。该成果于8月30日发表在《自然》杂志上。
© Nature 研究论文以《有限范围相互作用下光学跃迁的量子增强传感(Quantum-enhanced sensing on optical transitions through finite-range interactions)》为题发表于《自然》杂志
量子系统的观测总是受到一定的统计不确定性的影响。“这是由量子世界的本质造成的，”论文的第一作者Johannes Franke解释道，“纠缠可以帮助我们减少这些错误。”研究人员使用激光来调整排列在真空腔中的离子的相互作用并使其纠缠。他们在实验室中测试了纠缠粒子系综的测量精度。
因斯布鲁克大学理论物理系的Raphael Kaubrügger解释道：“近邻粒子之间的相互作用随着粒子之间距离的增加而减弱。因此，我们利用自旋交换相互作用来让系统表现得更具相干性。”实验产生的一维链中的所有51个粒子都相互纠缠在一起，并形成了所谓的自旋压缩量子态。
因斯布鲁克的物理学家将链上的所有粒子相互纠缠，产生了所谓的压缩量子态。
Credit: Steven Burrows and the Rey Group/JILA
利用这一点，研究人员在Ramsey型干涉仪中证明了该量子态的计量优势。通过将51个离子纠缠在一起，测量误差相比于无关联粒子情形可以大致减半，低于标准量子极限3.2 ± 0.5 dB。此前，纠缠增强传感则主要依赖于无限长程相互作用，限制了其仅适用于某些量子平台。
通过他们的实验，研究团队能够证明量子纠缠使传感器更加灵敏。这项技术可以改善目前使用原子钟的领域，例如卫星导航或数据传输。 此外，这些先进的时钟可以为寻找暗物质或确定基本常数随时间变化等研究开辟新的可能性。
论文链接：
https://www.nature.com/articles/s41586-023-06472-z
https://www.nature.com/articles/s41586-023-06360-6
报道链接：
https://phys.org/news/2023-08-quantum-entanglement-accuracy-advanced-sensors.html