量子纠缠光子对地球自转做出反应

生活 2024年08月09日 01:07 930 玫瑾

该实验被描绘成从旋转地球的局部位置（奥地利维也纳）开始的放大插图内绘制纤维萨格纳克干涉测量方案。两个无法区分的光子入射到分束器立方体上，它们之间产生纠缠，然后它们在光纤干涉仪中耦合。图片来源：MarcoDiVita

由维也纳大学的菲利普·瓦尔特（PhilipWalther）领导的一组研究人员进行了一项开创性的实验，他们测量了地球自转对量子纠缠光子的影响。这项工作发表在《科学进展》上，代表了一项重大成就，它突破了基于纠缠的传感器旋转灵敏度的界限，可能为进一步探索量子力学和广义相对论之间的交叉点奠定了基础。

光学萨格纳克干涉仪是对旋转最敏感的设备。自上世纪初以来，它们一直是我们理解基础物理学的关键，为建立爱因斯坦的狭义相对论做出了贡献。今天，它们无与伦比的精度使它们成为测量转速的终极工具，仅受经典物理学边界的限制。

采用量子纠缠的干涉仪有可能打破这些界限。如果两个或多个粒子纠缠在一起，则只有整体状态是已知的，而单个粒子的状态在测量之前仍未确定。这可用于在每次测量中获得比没有它时更多的信息。然而，承诺的灵敏度的量子飞跃受到纠缠的极其微妙的性质的阻碍。这就是维也纳实验发挥作用的地方。

研究人员建造了一个巨大的光纤Sagnac干涉仪，并将噪音保持在低和稳定的几个小时内。这使得能够检测到足够多的高质量纠缠光子对，其旋转精度比以前的量子光学萨格纳克干涉仪高出一千倍。

在萨格纳克干涉仪中，两个在旋转闭合路径的相反方向上行进的粒子在不同的时间到达起点。对于两个纠缠的粒子，它变得令人毛骨悚然：它们的行为就像一个粒子同时测试两个方向，同时与不存在纠缠的情况相比，累积了两倍的时间延迟。

Sagnac干涉仪由2公里长的光纤制成，包裹在1.4米长的方形铝框架周围。图片来源：拉斐尔·西尔维斯特里

这种独特的属性称为超分辨率。在实际实验中，两个纠缠的光子在一根2公里长的光纤内传播，缠绕在一个巨大的线圈上，实现了有效面积超过700平方米的干涉仪。

研究人员面临的一个重大障碍是隔离和提取地球的稳定自转信号。“问题的核心在于为我们的测量建立一个参考点，在那里光不受地球自转效应的影响。鉴于我们无法阻止地球旋转，我们设计了一种解决方法：将光纤分成两个等长的线圈，并通过光开关连接它们，“主要作者RaffaeleSilvestri解释说。

通过打开和关闭开关，研究人员可以有效地随意取消旋转信号，这也使他们能够扩展大型设备的稳定性。“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，”西尔维斯特里说。

该实验是作为维也纳大学和奥地利科学院主办的研究网络TURIS的一部分进行的，已经成功地观察到地球自转对最大纠缠双光子状态的影响。这证实了爱因斯坦狭义相对论和量子力学中描述的旋转参考系和量子纠缠之间的相互作用，与以前的实验相比，精度提高了一千倍。

“这代表了一个重要的里程碑，因为在首次观测到地球自转的一个世纪后，量子纠缠光子对地球自转做出反应单个光量子的纠缠终于进入了相同的灵敏度状态，”作为玛丽居里博士后研究员从事这项实验的余浩存说。

“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，“PhilipWalther补充道。

更多信息：拉斐尔·西尔维斯特里（RaffaeleSilvestri）等人，量子纠缠对地球自转的实验观察，《科学进展》（2024）。DOI：10.1126/sciadv.ado0215.www.science.org/doi/10.1126/sciadv.ado0215

期刊信息：ScienceAdvances

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