为了打造世界上最精确的量子传感器，科学家们不断提升其性能，使其更精确、更稳定、更可靠。但最终，物理限制将阻碍进一步的改进。

“你不能在量子传感器里装更多原子，因为在某个时刻，它们会开始碰撞并相互干扰，影响传感器的性能，”JILA和NIST研究员、科罗拉多大学博尔德分校物理学兼任教授Ana Maria Rey说。

即使是世界上最精确的传感器也并非完全隔离，而是会受到噪声影响——来自环境的细微扰动，如振动、电磁场或温度变化。

因此，雷伊与JILA研究员詹姆斯·K·汤普森以及尼尔斯·玻尔研究所、联合量子研究所和印度理工学院马德拉斯分校的同事们一起提出了问题：尽管存在这些限制，我们如何改进下一代传感器？

一个有前景的想法是利用量子纠缠，使原子彼此连接并协同工作。当原子纠缠时，即使被距离分开，它们的性质仍然共享。原则上，这允许更精确的测量。但纠缠的原子仍然会受到噪声的影响。

JILA研究助理Raphael Kaubruegger说：“纠缠态通常用于估计单一参数，但我们的目标是创造一个对传感器网络中两个节点参数差异高度敏感的纠缠态。”

研究人员着手寻找一种新的纠缠态类别，能够滤除影响两个传感器的噪声。随后，他们开发了两种在光学腔内制造这些态的方法：一对相距一英寸（2.5厘米）的镜子，用于来回反射光子。他们在最近发表在《物理评论X》上的一篇论文中描述了该状态及其形成的两种方法。

利布-马蒂斯州

他们识别的纠缠态使用无退相干子空间，这些子空间免受某些类型的干扰，而安静噪声影响两个传感器。激光用于在原子的两个内部态之间创造相干叠加态，但要实现这一点，激光的频率必须与原子跃迁完全匹配。

正如Rey所解释的，挑战在于即使是最精确的激光也无法长时间保持稳定频率。这些激光频率不稳定性产生了噪声，这种噪声在两种传感器中同样受到影响，目前是最先进时钟中最严重的误差之一。

“理想情况下，希望原子处于对这种噪声不敏感的状态，”雷伊说。“我们创造的状态是这些原子之间的纠缠，但纠缠的状态是你无法区分哪个原子属于哪个集合。它们是完全对称的。”

“事后我们意识到，这正是人们用来描述反铁磁体或量子磁铁时所考虑的状态，”JILA和NIST研究员兼物理学副教授James Thompson说。

在凝聚态物理中，Lieb-Mattis态描述了反铁磁体的量子版本，其中两组原子表现得像指向相反方向，但系统没有选择空间中固定的某个方向。

一种连贯且统一的方法

团队开发的一种制备所需状态的方法，是通过工程化“自旋交换”，使传感器网络中的两个节点纠缠在一起，使原子在光学腔中来回传递光子。这导致一个状态：一个节点上的每个原子都与另一个节点的原子完全反相关。如果一个原子是“向上”，另一个原子是“向下”。

汤普森将这种做法比作棒球，每个乐团都是一个棒球队。两队互相投掷球，或者说在这里是光子。每当球被投掷出去，对方队伍就会接住它。汤普森补充说，我们不能知道是谁投球或谁接住了球。

“这就是建立这些联系的原因，”汤普森说。“如果球被扔出去，那它一定被接住了。”

该方法产生了海森堡缩放，即最佳的精确缩放，所有原子作为一个量子对象。

失去一个光子其实没那么糟

光学腔并非完美无缺。正如蕾伊所解释的，有时你可能会丢失一个光子。团队的第二种方法就是考虑到这一点。

在光学腔内，光子可以在反射极强的镜子之间来回反射大约10万次，直到意外穿透到另一侧。

“我们正在失去光子，但重要的是光子是集体地丢失的，”雷伊说。

由于无法判断哪个原子该负责，这会导致纠缠——使它们进入无法再失去光子的状态。

“在某个阶段，他们会变得非常擅长不再掉球，”汤普森说。

“它们进入'暗态'，即发射光子的相位完全抵消，导致所谓的破坏性干涉，”蕾伊补充道。

令团队惊讶的是，最初他们试图理解失去这些光子的有害影响。但正如蕾伊所解释的，最终这种消散实际上让他们达到了想要的状态。

考布鲁格补充道：“我们最初想要准备的状态是半数原子被激发，但系统无法集体发射光子。”

理论与实验的桥接，实现现实应用

团队提出的状态可以快速生成，更重要的是，随着系统变大，速度更快，使其在量子传感器的扩展中变得实用。

“人们曾考虑过只有两个原子的状态，这很酷，但你会希望用得更多，”汤普森说。“事实证明，原子越多越好。”

通过让量子传感器更加精确，这些纠缠态未来有望在GPS无法使用时帮助导航，或揭示矿产、石油或天然气等隐藏地下资源。

理论家与实验学者之间的紧密合作是这项工作的关键。这些团体相互激励——并相互制衡。由于他们密切合作，考布鲁格说他们对实验者面临的挑战有更深的理解。

现在，可以说，球就掌握在汤普森团队手中：在实验中展示该状态。

出版信息

Raphael Kaubruegger 等，《Lieb-Mattis 状态用于强健纠缠差分相位传感》，《物理评论X》（2026）。DOI：10.1103/ksyh-mb4s

期刊信息：《物理评论X》