遥远的纠缠原子“合体”成一个传感器，精度惊人

纠缠常被描述为量子物理中最神秘的效应之一。当两个量子物体纠缠时，即使相距遥远，对它们的测量结果仍能保持紧密关联。这种出乎意料的统计关联在经典物理学中无法解释，看上去就像测量一个物体在某种程度上会远距离影响另一个物体。这种现象被称为爱因斯坦-波多尔斯基-罗森悖论，已通过实验证实，并获得了2022年诺贝尔物理学奖。

利用远距离纠缠进行精密测量
在这一基础上，由巴塞尔大学的菲利普·特罗伊特莱因教授和巴黎卡斯特勒-布罗塞尔实验室的爱丽丝·西纳特拉教授领导的团队证明，空间分离的量子物体之间的纠缠可以起到实际作用。他们的研究表明，空间分离但相互纠缠的系统可用于同时测量多个物理参数，且精度更高。该研究成果最近发表在《科学》杂志上。

“量子计量学利用量子效应来改进物理量的测量，如今已成为一个成熟的研究领域，”特罗伊特莱因说。大约15年前，他和合作者是最早将极冷原子的自旋进行纠缠的研究者之一。这些自旋可以想象成微小的指南针指针，其测量精度比原子各自独立、没有纠缠时更高。

“然而，那些原子都在同一个位置，”特罗伊特莱因解释道：“我们现在扩展了这一概念，将原子分布到多达三个空间分离的云团中。因此，纠缠效应就像在爱因斯坦-波多尔斯基-罗森悖论中那样，在远距离发挥作用。”

用纠缠原子云绘制场图
这种方法对于研究空间变化的物理量特别有用。例如，想要测量电磁场在不同位置如何变化的研究人员，可以使用物理上分离的纠缠原子自旋。与在单一位置进行测量一样，纠缠可以减少量子效应带来的不确定性，还能抵消以相同方式影响所有原子的干扰。

“到目前为止，还没有人用空间分离的纠缠原子云进行过此类量子测量，而且这种测量的理论框架也尚不明确，”曾在特罗伊特莱因团队做博士后并参与该实验的李一凡（音译）说。该团队与卡斯特勒-布罗塞尔实验室的同事合作，研究了如何在使用纠缠云团测量电磁场空间结构时将不确定性降至最低。

为此，研究人员首先将单个云团内的原子自旋进行纠缠，然后将该云团分成三个仍相互纠缠的部分。只需少量测量，他们就能以明显高于无空间纠缠时的精度确定场分布。

在原子钟和重力仪中的应用
“我们的测量协议可以直接应用于现有的精密仪器，如光晶格钟，”巴塞尔团队的博士生莱克斯·约斯滕说。在这些时钟中，原子被排列成晶格的激光束固定在原位，充当极其精确的‘钟摆’。新方法可以减少由原子在晶格内的分布方式引起的特定误差，从而实现更准确的计时。

同样的策略还可以改进原子干涉仪，这种仪器用于测量地球的重力加速度。在某些被称为重力仪的应用中，科学家关注重力在空间中的变化。使用纠缠原子可以比以往更精确地测量这些变化。