量子传感器用“诡异”的科学来以前所未有的精度测量世界

量子纠缠可能仍然诡异的，但它有一个非常实用的一面。

THE FUTURE — OCTOBER 21, 2022

Elizabeth Fernandez

Credit: Augusto / Adobe Stock

关键要点

     量子系统和量子纠缠能帮助我们仔细的感知一个环境并以无与伦比的精度测量它。

一个量子传感器本质上观察一个粒子怎样与它环境相互作用。

量子纠缠可能仍然秘密的，但它也有一个非常实用的一面。

这是关于量子纠缠怎样正在改变技术以及我们如何理解我们周围的宇宙的四部分系列文章中的第三篇文章。在之前的文章中，我们讨论了什么是量子纠缠，以及我们怎样能利用它来彻底改变我们交流的方式。在这篇文章中，我们将讨论量子传感器，微观世界怎样正在允许我们以惊人的精度测量宏观世界以及为什么这很重要。

当你今天早上踩到浴室秤上时，你可能准确地在十分之一磅左右测量了你的体重。机会是你都需要的。但有时你也想要更精确称量一些东西，比如一封邮件。邮局的秤比你的浴室秤能的更细的称一个信封。这是精度并是测量中的一个重要因素。

有极端精确的测量是至关重要的地方的例子。知道多精确测量位置允许GPS帮助你导航到邮局。还更精确的测量允许宇宙飞船来登陆火星。

改进的测量能帮助我们做得更多和理解更多的。这就是量子系统和纠缠能被使用的地方。它们能帮助我们仔细地感知一个环境，并以无与伦比的精度测量它。

额外的感知能力

去相干性是量子通信中的一个主要问题。当量子粒子与它们的环境中的某些东西相互作用------例如一根光缆的边缘------导致它们的波函数坍塌时它发生。

去相干发生是因为量子态对它们的环境是强烈的敏感。这是一个对量子通信的问题，但当到传感时它实际上是一个益处。它们的对环境中微小变化的反应正是使量子传感器如此精确的的，允许它们来达到我们之前从未梦想过的可能的精确度。

一个量子传感器本质上观察一个粒子怎样与它的环境相互作用。有一些不同类型的量子传感器能测量各种各样的东西------磁场、时间、距离、温度、压力、旋转和许多其他可观测数据。随我们走进更详细关于量子传感器怎样工作，我们能获得它们的力量以及它们能如何影响我们的生活的一瞥。

看地下的深处

在最初的《侏罗纪公园》中，古生物学家使用一些未定义的虚构技术来构成一幅隐藏在地下的恐龙骨头的图像。这个场景有点荒谬的，但它确实帮助我们理解一个允许我们来不挖掘看地下的工具的影响。这种技术可能不能帮助我们找到令人惊讶的完整的恐龙骨骼，但它可以帮助我们定位许多其他的东西------废弃的矿井、管道或电缆、含水层和各种各样的地下不规则性。在他们来开始挖掘之前知道东西在地下的位置可以帮助公司在建造从地铁到摩天大楼期间节省数百万美元。

原子怎样能帮助呢？就像太阳和地球一样，我们周围的东西有一个引力拉力------尽管要小得多的一个。像花岗岩脉一样的密集物质会比一个空的地铁隧道有一个更大的引力拉力。当从地面上测量时差异可能是微小的，但一个足够精确的传感器可以探测到它。

伯明翰大学的一个研究小组利用原子作为量子传感器说明了这种传感器能是多精确的。他们把两个原子放在一个重力场中，赋予一个一点向上的“踢”。这个原子在重力下又落回了。因为粒子能起波的作用，这两个原子彼此挡路的，创造一种干涉图案。原子波的两个波峰可能对齐，造成相构干涉。另外，一个波峰可能与一个波槽对齐，造成破坏性干扰。重力中的一个微小差异会改变原子的干涉模式，允许在重力场中微小的测量。

这不仅能让我们知道我们脚下是什么，还能帮助我们预测火山何时将爆发。在一个火山下填充一个空室的岩浆将改变当地的重力。分布在火山上的传感器可能能够来感知一个室何时被填满，并有望在一个火山喷发前提前发出警告。

没有像量子时间那样的时间

原子钟是另一个能产生极端精确度的量子传感器的例子。这些时钟依赖于原子的量子属性。首先，一个原子中的所有电子都有一些能量。想象在一定的距离上绕着原子核运行的一个电子。电子只能在被高度特定能级分开的离散态下环绕。为了从一个能级转移到另一个能级，电子既能吸收一个精确频率的光子来向上移动，也能发射一个光子向下移动。当一个电子改变围绕原子它的能量态时一个原子钟工作。

就在现在美国的标准时间是由美国国家标准与技术研究所的铯原子钟决定的。这个时钟是如此准确以致在1亿年内它既不会增加也不会失去一秒钟。来用如此精确测量时间，时钟使用一束激光束以极其精确的光频率沐浴铯原子，将它们的电子踢到更高的能级上。激光的光频率的精确校准是允许时间被获得的。（记住，这个频率是时间的倒数。）

如果我们的原子不靠它们自己工作而是相互彼此纠缠我们能做得更好。2020年，麻省理工学院的一个团队利用纠缠原子制造了一个原子钟。这个时钟的准确性真的冲击思维的：它在宇宙的年龄里仅损失了100毫秒。

从非常小到非常大

量子传感器能允许我们的望远镜和显微镜向我们展示更多的。

通常当我们考虑探索宇宙时我们会想象一个收集光子的望远镜------无论它们是光学的、红外的还是无线电的。但我们也能用引力波来探索宇宙。

当一对黑洞合并或一颗超新星爆炸时空间和时间本身的织造就像一个池塘上的涟漪一样被拉伸和挤压。我们能用一个干涉仪来检测这些涟漪，它可以精确的比较两个垂直方向上的距离。为了测量这个，该仪器向每个轴送下一束光。光束反跳开镜子返回到光源，重新组合创造一个干涉图案。如果来自引力波的一个涟漪在一个它可能会被轻微拉伸的方向中通过干涉仪而在另一个方向中它会被挤压，造成干涉图样来变化。这个差异是小的，但它将表明一个引力波的通过。

在这里再一次纠缠光子能提供一个优势。干涉仪的来测量的能力受到光束内光子到达时间中差异的限制。简单地说，有些光子比其它光子更早到达探测器。通过将纠缠的光子和一种叫“光子挤压”的技术与海森堡不确定性原理相结合，我们能以牺牲另一个可观测结果为代价减少在这些光子到达时间中的扩散，利用这种方法，像激光干涉仪引力波天文台和室女座这样的干涉仪能探测到比一个原子核更小10万倍的振动。

挤压光也能帮助提高显微镜的灵敏度。为了让一个显微镜工作，光线必须照亮物体。随光从样品上反弹并返回显微镜，光子到达时间中的随机性引入噪声。通常这种称为散粒噪声的能被增加亮度降低。但在某个点上，光的强度实际上破坏样本，特别是如果它是某种生物组织。昆士兰大学的一个研究小组表明了用纠缠光子并挤压它们不用干炸样品提高显微镜的灵敏度。

测量是关于在一个更深的层次上理解我们的环境。无论它们是温度、电场、压力还是时间，这些测量都不止数字的。它们是关于理解这些数字意味着的以及如何使用一些小的变化。量子传感器能被用于核磁共振成像和不用GPS系统的导航。它们也能帮助自动驾驶汽车更好地感知周围的环境并帮助科学家预测火山爆发。量子纠缠可能仍然是神秘的，但它也有一个非常实用的一面。

https://bigthink.com/the-future/quantum-sensors-measure-extreme-precision/