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1、量子纠缠的应用今年的诺贝尔奖授予了三位物理学家，表彰他们在量子纠缠实验领域 所作出的贡献。量子纠缠成为了很热门的研究领域。现今，研究焦点已转 至应用性阶段，不仅在通讯、计算领域的用途，而且应用于探测的传感器 领域中。量子纠缠可以帮助精细感知环境，并以无可比拟的精度进行测量。量 子传感器本质上是观察粒子与环境的互动情况。量子纠缠可能仍然很神秘, 但它具有非常实用的一面。我们每个人时常在与测量打交道，今天你吃了多少、喝了多少，大约 多少斤、多少两，可能这就是你所需要的精度。也有些时候，你想称出更 精确的东西，比如一封邮件。邮局的秤会更精细地称量一个信封。这个精 度，是测量中的一个要素。在有些情况下
2、，极其精确的测量至关重要。知道如何精确测量位置可 以让GPS帮助导航。更加精确的测量使航天器能够在火星上降落。精细的测量可以帮助做得更好，认知得更多。这就是量子系统及其纠 缠可以发挥作用的地方。它们可以帮助我们精细感知环境，并以无可比拟 的精度进行测量。量子纠缠的退相干是量子通信中的一个主要障碍。当量子粒子与环境 中的某些东西，例如光纤电缆边缘相互作用口寸，它就会发生，导致其波函 数坍缩。退相干的发生是因为量子状态对其环境非常敏感。这对于量子通信来 说是个问题，但当涉及到传感时，这实际上变成了一个优点。它们对环境 中微小变化的反应正是使量子传感器如此精确的原因，使它们能够达到我 们以前从未梦想
3、过的幽灵般的精度。量子传感器本质上是观察一个粒子如何与环境互动。有不同类型的量 子传感器，可以测量各种东西，如磁场、时间、距离、温度、压力、旋转 和其他一系列的观察指标。随着我们更深入地认知量子传感器的工作原理, 我们可以一睹它们的威力以及它们如何影响我们的生活。在科幻电影中，人们使用了一些幻想的技术，深入地下不用挖掘就能 看到地下。这样的技术将可能不再是科幻。现在量子传感器可以帮助人们 找到诸如废弃的矿井、管道或电缆、含水层以及任何种类的地下不规则物。 在开始挖掘之前知道地下的东西在哪里，可以帮助公司在建造从地铁到摩 天大楼的过程中节省大量资金。原子的量子传感器如何起作用？就像太阳和地球一样
4、，我们周围的东 西也有引力，尽管是更小的引力。像花岗岩矿脉这样致密的物质会比空荡 荡的地铁隧道有更大的引力。当从地面上测量时，这种差异可能很小，但 一个足够精确的传感器可以检测到。伯明翰大学的一个研究团队利用原子作为量子传感器，显示了这种传 感器可以多么精确。他们将两个原子放在一个引力场中，给其中一个原子 一个小小的踢作用，使其向上。这个原子在引力的作用下回落下来。因为粒子可以像波一样行动，这两个原子互相干涉，形成一个干涉模 式。原子波的两个波峰可能对齐，造成增强性干涉。一个波峰可能与一个 波谷对齐，造成减弱性干扰。引力的微小差异将改变原子的干涉模式，允 许对引力场进行微小的测量。这不仅可以认
5、知地下是什么，而且还可以帮助我们预测如火山何时爆 发。岩浆填充火山下的空腔将改变局部的引力。分布在火山上的传感器也 许能够感应到一个空腔的填充情况，从而希望在火山爆发前发出预先警告。原子钟是量子传感器的另一个例子，可以产生极端精确的精度。原子 钟依靠的是原子的量子特性。首先，原子中的所有电子都有一些能量。想 象一下，电子以一定的距离围绕着原子核运行。电子只能在离散的状态下 运行，并由高度特定的能级分隔。为了从一个能级转移到另一个能级，电 子可以吸收一个精确频率的光子来向上移动，或者发射一个光子来向下移 动。当一个电子在原子周围改变其能量状态时，原子钟就会工作。现在的标准时间是由一个铀原子钟决定
6、的。这个钟非常精确，在一亿 年内既不会增加也不会减少一秒。为了如此精确地测量时间，这个原子钟 使用激光束以极其精确的光频率照射铀原子，将其电子踢到更高的水平。 对激光的光频率进行精确的校准,能够获得时间，因为频率是时间的倒数。如果原子不是单独工作，而是彼此纠缠在一起，还可以做的更好。麻 省理工学院的一个团队利用纠缠的原子制作了一个原子钟。这个时钟的精 确度相当令人震惊，它在宇宙的年龄上只损失了 100毫秒。量子纠缠铀原子钟量子传感器可以让我们的望远镜和显微镜向我们展示更多。通常情况下，当我们想到探索宇宙时，我们会想象一个收集光子的望 远镜，无论是光学、红外还是无线电。但是我们也可以利用引力波来
7、探索 宇宙。当一对黑洞合并或一颗超新星爆炸时，空间和时间结构本身会像池塘 上的涟漪一样被拉伸和挤压。我们可以使用干涉仪来探测这些涟漪，干涉 仪可以精确地比较两个垂直方向的距离。为测量这一点，这个仪器向每个 轴向发送一束光。这些光束在镜子上反弹，回到源头，然后重新组合，形 成一个干涉图案。如果来自引力波的波纹从一个方向通过干涉仪，它可能 会被稍微拉长，而从另一个方向则会被挤压，导致干涉图案发生变化。这 种差异很小，但它将表明引力波的通过。在这里，纠缠的光子再次可以提供一个优势。干涉仪的测量能力受限 于光束内光子到达时间的差异。简单地说，一些光子比其他光子更早到达 检测器。通过将纠缠的光子和一种叫
8、做光子挤压(photon squeezing) 的技术与海森堡不确定性原理相结合，我们可以减少这些光子到达时间的 差异，而牺牲另一种可观测性。使用这种方法，像LIGO和Virgo这样的干 涉仪可以探测到比原子核还小10万倍的振动。最先进的挤压：LIGO团队成员安装设备作为挤压光升级的一部分。这种挤压光线也可以帮助提高显微镜的灵敏度。为了让显微镜工作， 光线必须照亮被摄体。当光线从样品上反弹并返回到显微镜时，光子到达 时间的随机性引入了噪声。通常情况下，这种所谓的“散粒噪声”可以通 过增加亮度来减少。但在某些时候，光的强度实际上会损害样品，特别是 如果它是某种生物组织。昆士兰大学的一个研究团队表明，使用纠缠的光 子并挤压它们可以提高显微镜的灵敏度，而无需损坏样品。测量是为了在更深层次上认知我们的环境。无论是温度、电场、压力 还是时间，这些测量都不仅仅是关于数字。它们是关于理解这些数字的含 义以及如何利用微小的变化。量子传感器可用于核磁共振和没有GPS系统 的导航。它们可以帮助自动驾驶汽车更好地感知环境，帮助科学家预测火 山喷发。量子纠缠可能仍然很神秘，爱因斯坦称之为“幽灵般的超距作用”。看 来他老人家形容的很不错，确实太“幽灵般” 了。量子传感器具有如此“幽 灵般”的灵感，其灵敏度无可比拟地远远超过了传统仪器，以前所未有的 精度测量世界，正在还将发挥越来越巨大的作用。