量子纠缠首次用于测量地球自转

这一突破可以提供一种以惊人的精度测量旋转的方法。

量子纠缠光子可用于测量地球的自转。

图片来源：Marco Di Vita

一组物理学家能够利用光子（光的粒子）经历一种称为纠缠的特殊量子现象来测量地球的自转。这使得他们能够将测量精度提高 1000 倍，并且可以用来探索基础物理问题。

您可能想知道为什么以前没有使用过这一点。答案是量子纠缠是一种非常微妙的状态。两个粒子纠缠在一起，它们突然属于单一状态。无论它们相距多远，其中一个粒子的相互作用都会影响另一个粒子——但状态可能会受到干扰，粒子会以完全不相连的状态返回。

利用光测量旋转的一种方法是使用一种称为萨格纳克干涉仪的仪器。光以相反的方向通过环路发送，由于系统的旋转，一侧会在不同的时间回到起点。如果所讨论的光是一对朝相反方向传播的纠缠光子，就会发生一些非常奇怪的事情。这就像同时向两个方向发送相同的光以及两次加倍之间的时间延迟。

为了利用这种称为超分辨率的特性，维也纳大学的研究人员通过 2 公里（1.24 英里）长的环形光纤发送纠缠光子。他们能够在几个小时内保持系统的噪音较低且稳定，从而使纠缠光子能够在穿过系统的过程中幸存下来。

这种设备是用来主动测量旋转的，而我们的脚下就有一个旋转源。地球。该设备最终将量子力学提高到了以前只有标准非纠缠光才能达到的灵敏度水平。

“这代表着一个重要的里程碑，自首次观测到地球随光旋转一个世纪以来，单个光量子的纠缠终于进入了相同的敏感范围，”合著者于浩存（Haocun Yu）说，他作为玛丽研究了这项实验。 ——居里博士后研究员在一份声明中说道。

但实际上，测量地球自转并不是这个装置的目的。萨格纳克干涉仪被设计为一种独立于地球自转而精确测量系统旋转的方法。因此，该团队必须找到一种方法来隔离旋转行星上产生的旋转。

“问题的核心在于为我们的测量建立一个参考点，其中光不受地球自转效应的影响。鉴于我们无法阻止[地球]旋转，我们设计了一个解决方法：将光纤分成两部分等长线圈并通过光学开关连接它们，”主要作者 Raffaele Silvestri 解释道。

这个解决方案本质上可以归结为在设备上安装一个开关，使他们能够抵消地球的旋转信号。 “我们基本上欺骗了光，让它认为它处于一个不旋转的宇宙中，”西尔维斯特里继续说道。

这一突破是迈向测量轮换新方法的第一步，但不仅如此；研究人员对未来可能的应用抱有很大期望。

“我相信我们的结果和方法将为进一步提高基于纠缠的传感器的旋转灵敏度奠定基础。这可能为未来通过时空曲线测试量子纠缠行为的实验开辟道路，”资深作者菲利普·瓦尔特补充道。

该研究发表在《科学进展》杂志上。