纠缠物质波干涉仪：现在是幽灵翻倍

诸平

A rendering of the entangled atoms within the interferometer. Credit: Steven Burrows, Thompson Group/JILA

据美国国家标准与技术研究所（National Institute of Standards and Technology）肯娜·休斯·卡斯特尔贝利（Kenna Hughes-Castleberry）2022年10月21日报道，纠缠物质波干涉仪：现在是幽灵翻倍（An entangled matter-wave interferometer. Now with double the spookiness）。

图示是由JIRA的相关人员（Steven Burrows, Thompson Group/JILA）提供的干涉仪内纠缠原子的效果图。首先对JIRA进行简要介绍，JILA是一个世界级研究机构的名称，不再作为缩写使用。当JILA在1962年作为科罗拉多大学博尔德分校（University of Colorado Boulder）和美国国家标准与技术研究所（National Institute of Standards and Technology简称NIST）的联合研究所成立时, NIST当时被称为美国国家标准局（National Bureau of Standards），JILA是“实验室天体物理联合研究所（Joint Institute for Laboratory Astrophysics）”的首字母缩写。然而，多年来，JILA一直是一个世界知名的、屡获殊荣的物理学研究所，致力于量子信息科学与技术、原子及分子物理学、激光物理学、生物物理学、化学物理学、纳米科学以及精密测量的前沿研究。

JIRA和NIST研究员詹姆斯·汤普森（James K. Thompson）的研究小组首次成功地结合了量子力学中两个“最诡异”（"spookiest" features）的特性，从而制造出更好的量子传感器：原子之间的纠缠和原子的离域。

爱因斯坦最初将纠缠（entanglement）称为在一定距离内产生幽灵般的行为，这是量子力学的一种奇怪效应，即一个原子发生的事情会以某种方式影响另一个原子。量子计算机、量子模拟器和量子传感器的核心就是纠缠。

量子力学的第二个令人毛骨悚然的方面是离域现象，即一个原子可能同时存在于多个地方。正如他们2022年10月19日在《自然》（Nature）杂志网站上发表的论文中所描述的，詹姆斯·汤普森团队将纠缠和离域现象的诡异性结合起来，制造出一种物质波干涉仪，这种干涉仪能够以超过标准量子极限的精度检测加速度（在量子水平上实验测量精度的限制）这是第一次。详见Graham P. Greve, Chengyi Luo, Baochen Wu, James K. Thompson. Entanglement-enhanced matter-wave interferometry in a high-finesse cavity. Nature, 2022, 610: 472–477. DOI: 10.1038/s41586-022-05197-9. Published: 19 October 2022. https://doi.org/10.1038/s41586-022-05197-9

通过加倍增强这种幽灵效应，未来的量子传感器将能够提供更精确的导航，探索所需的自然资源，更精确地确定基本常数，如精细结构和引力常数，更精确地观察暗物质，甚至有朝一日可能会探测到引力自然波。

产生纠缠（Generating entanglement）

要使两个物体纠缠在一起，通常必须使它们彼此非常非常靠近，这样它们才能相互作用。詹姆斯·汤普森团队已经学会了如何将数千到数百万个原子纠缠在一起，即使它们之间的距离只有几毫米甚至更远。他们利用反射镜即称为光腔（optical cavity）之间的光反射，让信息在原子之间跳跃，并将它们编织成纠缠态，从而实现这一功能。利用这种独特的光方法，他们创造并观察到了原子、光子或固态等任何系统中产生的一些高度纠缠态。

研究小组设计了两种不同的实验方法，他们在最近的研究中都使用了这两种方法。第一种方法被称为量子非破坏测量（quantum nondemolition measurement），他们预先测量与原子相关的量子噪声（quantum noise），然后从最终测量结果中减去量子噪声。

在第二种方法中，注入到光腔中的光导致原子发生单轴扭曲（one-axis twisting），在这个过程中，每个原子的量子噪声与所有其它原子的量子噪声相关联，这样它们就可以共同变得更安静。詹姆斯·汤普森说：“这些原子就像孩子们互相嘘嘘以保持安静，这样他们就可以听到老师答应给他们的聚会，但在这里，是相互纠缠造成了嘘声。”

物质波干涉仪（Matter-wave interferometer）

物质波干涉仪是当今最精确和最准确的量子传感器之一。其原理是利用光脉冲，通过吸收和不吸收激光，使原子同时运动和不运动。这使得原子随着时间的推移同时位于两个不同的地方。

研究生罗诚毅（Chengyi Luo音译）解释道：“我们将激光束照射到原子上，这样我们实际上将每个原子的量子波包一分为二，换句话说，粒子实际上同时存在于两个独立的空间中。”随后的激光脉冲逆转了量子波包重新聚合的过程，因此，环境中的任何变化，如加速或旋转，都可以通过原子波包的两个部分产生的可测量的干涉量来感知，这与在普通的干涉仪中光场的作用很相似，但这里是德布罗意波（de'Broglie waves），即是由物质构成的波。

JIRA的研究生团队研究出了如何在带有高反射镜的光腔中实现所有这些功能。在伽利略重力实验（Galileo's gravity experiment）的量子版本中，他们可以测量出原子在重力作用下沿着垂直方向的空腔下落多远，这个实验从比萨斜塔（Leaning Tower of Pisa）上扔下物体，但同时也获得了量子力学带来的所有精密度和准确性的好处。

翻倍的幽灵（Doubling the spookiness）

通过学习如何在光腔内操作物质波干涉仪，罗诚毅和格雷厄姆·格雷夫（Graham Greve）领导的研究生团队能够利用光-物质相互作用，在不同的原子之间制造纠缠以更安静和更精确的方式测量重力加速度。这是第一次有人能够观测到物质波干涉仪，其精度超过了标准的量子限制，该限制是由未纠缠原子的量子噪声所设定的。

由于提高了精度，像罗诚毅和詹姆斯·汤普森这样的研究人员看到了将纠缠作为量子传感器资源的许多未来益处。詹姆斯·汤普森说:“我认为有朝一日，我们将能够把纠缠引入物质波干涉仪中，用于探测太空中的引力波（gravitational waves），或用于探测基础物理学的暗物质（dark matter）搜索，以及用于日常应用的设备，如导航或大地测量。”

詹姆斯·汤普森和他的团队希望，随着这项重大的实验进展，其他人将使用这种新型纠缠干涉仪方法在物理学领域取得新的进展。詹姆斯·汤普森乐观地说：“通过学习驾驭和控制我们已经知道的所有幽灵（spookiness）现象，也许我们可以发现我们从未想过的宇宙中新的幽灵般事物（new spooky things）。”

本研究得到了美国国家科学基金会{National Science Foundation under grant numbers 1734006 (Physics Frontier Center) and OMA-2016244 (QLCI)}、美国能源部（DOE）量子系统加速器（DOE Quantum Systems Accelerator）、美国国家标准技术研究所（NIST）以及美国国防部高级研究计划局（Defense Advanced Research Projects Agency简称DARPA的支持。

上述介绍，仅供参考。欲了解更多信息，敬请注意浏览原文或者相关报道。

纠缠原子钟的量子网络（A quantum network of entangled atomic clocks）

Abstract

An ensemble of atoms can operate as a quantum sensor by placing atoms in a superposition of two different states. Upon measurement of the sensor, each atom is individually projected into one of the two states. Creating quantum correlations between the atoms, that is entangling them, could lead to resolutions surpassing the standard quantum limit^1,2,3 set by projections of individual atoms. Large amounts of entanglement^4,5,6 involving the internal degrees of freedom of laser-cooled atomic ensembles^{4,5,6,7,8,9,10,11,12,13,14,15,16} have been generated in collective cavity quantum-electrodynamics systems, in which many atoms simultaneously interact with a single optical cavity mode. Here we report a matter-wave interferometer in a cavity quantum-electrodynamics system of 700 atoms that are entangled in their external degrees of freedom. In our system, each individual atom falls freely under gravity and simultaneously traverses two paths through space while entangled with the other atoms. We demonstrate both quantum non-demolition measurements and cavity-mediated spin interactions for generating squeezed momentum states with directly observed sensitivity \(3\,.\,{4}_{-0.9}^{+1.1}\) dB and \(2\,.\,{5}_{-0.6}^{+0.6}\) dB below the standard quantum limit, respectively. We successfully inject an entangled state into a Mach–Zehnder light-pulse interferometer with directly observed sensitivity \(1\,.\,{7}_{-0.5}^{+0.5}\) dB below the standard quantum limit. The combination of particle delocalization and entanglement in our approach may influence developments of enhanced inertial sensors^17,18, searches for new physics, particles and fields^{19,20,21,22,23}, future advanced gravitational wave detectors^24,25 and accessing beyond mean-field quantum many-body physics^{26,27,28,29,30}.