量子纠缠光子对地球自转作出反应

Josiah

　　维也纳大学菲利普·沃尔瑟领导的研究小组进行了一项开创性的实验，测量了地球自转对量子纠缠光子的影响。这项研究发表在《科学进展》上，代表了一项重大成就，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的交叉点奠定基础。
　　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，为爱因斯坦狭义相对论的建立做出了贡献。如今，它们无与伦比的精度使它们成为测量旋转速度的终极工具，仅受古典物理学的限制。
　　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，则只能知道整体状态，而单个粒子的状态在测量之前仍不确定。这可以用来获得比没有它时更多的每次测量信息。然而，承诺的灵敏度飞跃却因纠缠极其微妙的性质而受到阻碍。维也纳实验正是在这里产生了不同。
　　研究人员建造了一个巨大的光纤萨格纳克干涉仪，并使其噪声保持低且稳定达数小时。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，两个粒子沿旋转的闭合路径以相反方向运动，到达起点的时间不同。当两个粒子纠缠在一起时，情况就变得怪异起来：它们的行为就像一个粒子，同时测试两个方向，同时累积的时间延迟是没有纠缠的情形的两倍。
　　萨格纳克干涉仪由 2 公里长的光纤构成，缠绕在边长 1.4 米的方形铝制框架上。图片来源：Raffaele Silvestri
　　这种独特的特性被称为超分辨率。在实际实验中，两个纠缠光子在缠绕在巨大线圈上的2公里长光纤中传播，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分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，在这个点上光不会受到地球自转的影响。鉴于我们无法阻止地球自转，我们设计了一个变通方法：将光纤分成两个等长的线圈，并通过光开关将它们连接起来，”主要作者 Raffaele Silvestri 解释道。
　　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，这也使他们能够延长大型仪器的稳定性。“我们基本上欺骗了光，让它认为它处在一个非旋转的宇宙中，”西尔维斯特里说。
　　该实验是维也纳大学和奥地利科学院主办的 TURIS 研究网络的一部分，成功观测了地球自转对最大纠缠双光子状态的影响。这证实了旋转参考系统与量子纠缠之间的相互作用，正如爱因斯坦狭义相对论和量子力学所描述的那样，与之前的实验相比，精度提高了一千倍。
　　参与此项实验的玛丽居里博士后研究员余浩存表示：“这是一个重要的里程碑，因为在首次观测到地球通过光自转一个世纪后，单个光量子的纠缠终于进入了同样的敏感度范围。”
　　“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，”菲利普·沃尔瑟补充道。