曾經(jīng)讓愛因斯坦感到不安的“遠(yuǎn)距離幽靈般的動作”正逐漸變得平淡無奇，就像智能手機(jī)中測量加速度的陀螺儀一樣。據(jù)外媒報道，期刊《Nature Photonics》的一項(xiàng)新研究顯示，量子糾纏顯著提高了傳感器（無需GPS即可導(dǎo)航）的精度。
圖片來源：期刊《Nature Photonics》
密歇根大學(xué)（University of Michigan）電氣與計算機(jī)工程副教授、該研究的共同通訊作者Zheshen Zhang表示：“通過利用糾纏，我們提高了測量靈敏度和測量速度?！痹搶?shí)驗(yàn)在亞利桑那大學(xué)（University of Arizona）進(jìn)行。
光機(jī)械傳感器能夠測量干擾響應(yīng)移動的機(jī)械傳感設(shè)備的力，然后使用光波測量該運(yùn)動。在這個實(shí)驗(yàn)中，傳感器是膜，會就像鼓皮一樣在受到推動后振動。而光機(jī)械傳感器可以用作加速度計，在沒有GPS衛(wèi)星的行星上或建筑物內(nèi)人在不同樓層導(dǎo)航時進(jìn)行慣性導(dǎo)航。
量子糾纏可以使光機(jī)械傳感器比目前使用的慣性傳感器更準(zhǔn)確。它還可以使光機(jī)械傳感器找到非常微妙的力，例如識別暗物質(zhì)的存在。暗物質(zhì)是一種不可見的物質(zhì)，據(jù)悉其在宇宙中所占的質(zhì)量是可以用光感知到的質(zhì)量的五倍。量子糾纏可以用重力拉動傳感器。
以下是糾纏改進(jìn)光機(jī)械傳感器的原理：
光機(jī)械傳感器依賴于兩個同步的激光束。其中一個是從傳感器反射，傳感器中的所有移動都會改變光在到達(dá)檢測器的途中傳播的距離。當(dāng)?shù)诙ㄅc第一波重疊時，行進(jìn)距離的差異就會顯現(xiàn)出來。如果傳感器靜止不動，則兩個波完全對齊。
但如果傳感器在移動，它們就會產(chǎn)生干涉圖，因?yàn)椴ǚ搴筒ü葧谀承┑胤较嗷サ窒?。該模式揭示了傳感器振動的大小和速度?/p>
通常在干涉測量系統(tǒng)中，光傳播得越遠(yuǎn)，系統(tǒng)變得越精確。地球上最敏感的干涉測量系統(tǒng)，激光干涉引力波天文臺（Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory），可在8公里的外發(fā)送光。但這不適合智能手機(jī)。
為了在微型光機(jī)械傳感器中實(shí)現(xiàn)高精度，Zhang及其團(tuán)隊探索了量子糾纏。并非將光分裂一次，使其從傳感器和鏡子上反射回來，研究人員是將每束光都分裂一次，使光線從兩個傳感器和兩個鏡子上反射回來。亞利桑那大學(xué)光學(xué)科學(xué)助理教授Dalziel Wilson及其博士生Aman Agrawal和Christian Pluchar一起建造了膜裝置。
這些膜厚度僅為100納米，可以響應(yīng)非常小的力而移動。該傳感器加倍可提高準(zhǔn)確性，因?yàn)槟?yīng)該彼此同步振動，但糾纏增加了額外的協(xié)調(diào)水平。Zhang的研究團(tuán)隊通過“壓縮”激光產(chǎn)生了糾纏。在量子力學(xué)對象中，例如構(gòu)成光的光子，對粒子的位置和動量的了解程度存在基本限制。因?yàn)楣庾右彩遣ǎ詴D(zhuǎn)化為波的相位（在振蕩中的位置）和振幅（攜帶的能量）。
亞利桑那大學(xué)博士生Yi Xia表示：“壓縮重新分配了不確定性，因此可以更準(zhǔn)確地了解壓縮分量，而反壓縮分量攜帶更多的不確定性。我們壓縮了相位，因?yàn)檫@是我們測量需要知道的?！?/p>
在壓縮光中，光子之間的關(guān)系更為密切。Zhang教授將光子通過分束器與汽車駛?cè)敫咚俟返牟砺房跁r發(fā)生的情況進(jìn)行了對比。
Zhang教授表示：“有三輛車朝一個方向行駛，三輛車朝另一方向行駛。但在量子疊加中，每輛車都朝兩個方向行駛?，F(xiàn)在左邊的汽車與右邊的汽車糾纏在一起?！?/p>
因?yàn)閮蓚€糾纏光束的波動是相關(guān)的，所以它們相位測量的不確定性是相關(guān)的。結(jié)果，借助一些數(shù)學(xué)方法，該團(tuán)隊能夠獲得比使用兩根未糾纏的光束更精確40%的測量結(jié)果，而且他們可以更快地完成測量60%。更重要的是，精度和速度預(yù)計會隨著傳感器數(shù)量的增加而提高。
未來，該團(tuán)隊計劃實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)小型化。他們已經(jīng)可以將壓縮光源放在邊距僅半厘米的芯片上。他們希望在一兩年內(nèi)擁有帶有壓縮光源、分束器、波導(dǎo)和慣性傳感器的原型芯片。
