这种被称为纠缠的奇怪量子现象可以将原子和其他粒子连接在一起，这样它们就可以瞬间相互影响，无论距离如何。新的研究表明，可以利用纠缠来获得更准确、更快的量子传感器，从而支持GPS 等卫星导航技术。

量子传感器依赖于可能出现的效应，因为从最小的角度来看，宇宙会变成一个模糊的地方。众所周知，这些量子效应对外界干扰非常脆弱。然而，量子传感器利用这一弱点来响应环境中最轻微的干扰。

量子传感器越来越多地达到前所未有的灵敏度和准确性水平，其潜在应用包括探测思想磁场、发现隐藏的地下结构和资源、帮助月球车探测月球岩石中的氧气以及监听来自暗物质的无线电波。

原子钟是目前最精确的计时器，也可以用作量子传感器。类似于落地钟通过摆动的钟摆计时，原子钟监测原子的振动。光学原子钟使用激光束捕获和监测原子，目前精确度可达 1 阿秒，即十亿分之一秒。

除了计时之外，原子钟还有许多可能的应用。例如，它们是 GPS 和其他全球导航卫星系统(GNSS) 所依赖的精确定时信号的关键，可帮助用户精确定位自己的位置。

科罗拉多大学博尔德分校 (CU Boulder) 的量子物理学家、详细介绍这项新研究的资深作者之一 Ana Maria Rey 解释说，从理论上讲，纠缠可以帮助改进量子传感器。当单个原子用作量子传感器时，它们在能态之间移动时本质上是有噪声的。然而，当原子纠缠在一起时，它们的一致行为方式可以减少这种噪音。这使得来自纠缠原子的信号更加清晰，改善了实际测量，并减少了获得可靠结果所需的时间。

在他们的新研究中，雷伊和她的同事开发了一种新的方法来纠缠原子，尽管它们距离很远。“它开辟了一条模拟无限范围交互的途径，”雷伊说。

在他们的实验中，科学家们将 51 个电捕获的钙离子排列起来，每个钙离子的间隔大约为 5 微米。他们使用激光在离子中产生称为声子的准粒子振动。这些声子沿着原子线快速移动，因此它们可以共享量子信息并纠缠在一起。

产生纠缠的一种方法是通过称为自旋挤压的过程。所有遵循量子物理规则的物体都可以同时存在于多种能量状态，这种效应称为叠加。自旋挤压在某些方面将所有可能的叠加态减少到几种可能性，同时在其他方面扩展了它们。

在很短的时间内，相互作用的离子开始纠缠，形成自旋压缩状态。然而，随着时间的推移，它们转变为“猫状态”。这些状态由一对彼此截然相反的状态组成，就像著名的思想实验“薛定谔的猫”所经历的生与死的模糊状态一样。雷伊说，猫态是高度纠缠的，这使得它们对于传感器特别有用。

先前的研究设计了原子之间的静态链接，因为每个原子只能与特定的离子阵列相互作用。然而，在这项新研究中，科学家们使激光失谐，产生磁场，使链接随着时间的推移而改变。这意味着最初只能与一组原子相互作用的原子最终可能会切换为与阵列中的所有其他原子相互作用。

该研究的另一位资深合著者、奥地利因斯布鲁克大学的量子物理学家克里斯蒂安·鲁斯（Christian Roos）表示：“我们首次演示了如何产生可随粒子数量变化的纠缠。” Roos、Rey 和他们的同事于8 月 30 日在《自然》杂志上详细介绍了他们的发现。

Roos 表示，对于 12 个离子，科学家们发现他们的新技术可以将传感器中的噪声降低两倍多。雷伊说，未来，他们计划将离子捕获在二维排列而不是线性链中，这可以帮助他们“捕获更多离子并加速动力学，产生更好的纠缠”。

总而言之，研究人员希望“在最先进的时钟中实施这一策略，这些时钟与 3D 阵列中捕获的数千个粒子一起运行，因此原则上可以创造出有史以来最精确的传感器，”Roos 说。

自旋挤压纠缠也有利于光学原子钟。在另一项研究中，同样来自科罗拉多大学博尔德分校的另一组研究人员使用激光将锶原子固定在单个二维平面中。被称为光镊的精细控制光束将原子分成每组 16 至 70 个原子的组。科学家们利用高功率紫外激光将这些原子的电子激发到远离原子核的里德伯轨道。

里德伯轨道的能量性质可以导致原子强烈地经历相互作用，例如彼此之间的纠缠。利用自旋挤压，科学家们在多达 70 个原子的阵列中产生了纠缠。

使用这些纠缠阵列的时钟显示的信噪比大约是非纠缠时钟所显示的清晰的 1.5 倍。精度的提高也可以被解释为更快的速度：该研究的资深作者、科罗拉多大学博尔德分校的物理学家 Adam Kaufman 表示，纠缠时钟达到给定测量精度的时间是非纠缠时钟的一半。