2026年6月10日——为了建造世界上最精确的量子传感器，科学家们不断致力于提升其性能，使其更加精确、稳定且可靠。但最终，物理限制将阻止进一步改进。

“你不能在量子传感器中塞入更多原子，因为到了某个临界点，它们会开始碰撞并相互干扰，从而影响传感器的性能，”JILA（实验天体物理联合研究所）和国家标准与技术研究院（NIST）的研究员、科罗拉多大学博尔德分校物理学兼任教授Ana Maria Rey如是说。

即使是世界上最精确的传感器也无法完全隔离，它们会受到噪声的影响——这些噪声来自环境的细微扰动，如振动、电磁场或温度变化。

因此，Rey与JILA研究员James K. Thompson，以及来自尼尔斯·玻尔研究所、联合量子研究所和印度马德拉斯理工学院的同事们提出了一个问题：尽管存在这些限制，我们如何才能改进下一代传感器？

一个很有前景的想法是使用量子纠缠，使原子相互连接并作为一个系统协同工作。当原子纠缠时，即使相隔很远，它们也能共享特性。原则上，这可以实现更精确的测量。但纠缠的原子仍然会受到噪声的影响。

“对于估计单一参数，纠缠态已被很好理解，但我们的目标是创建一种纠缠态，使其对传感器网络两个节点之间的参数差异高度敏感，”JILA的研究助理Raphael Kaubruegger说道。

研究人员着手识别一类新的纠缠态，这类纠缠态能够滤除影响两个传感器的噪声。随后，他们开发了两种在光腔内创建这些状态的方法。光腔由一对相距约一英寸的镜子组成，光子在其中来回反弹。他们在最近发表于《物理评论X》的一篇论文中描述了这种状态以及创建它的两种方法。

Lieb-Mattis态

他们识别出的这种纠缠态利用了无消相干子空间，这些子空间能够免受某些类型的干扰，从而抑制影响两个传感器的噪声。

激光被用来在原子的两个内部能级之间创建相干叠加态，但要做到这一点，激光的频率需要精确匹配原子的跃迁频率。

正如Rey所解释的，挑战在于即使是最精确的激光也无法长时间保持稳定的频率。这些激光频率的不稳定性会产生噪声，两个传感器会同等程度地感受到这种噪声，这目前也是顶尖时钟中最具破坏性的误差之一。“理想情况下，我们希望将原子制备成对这种噪声不敏感的状态，”Rey说。

“我们创建的状态是这些原子之间的纠缠，但以一种你无法区分哪个原子属于哪个集合的方式，”Rey说。“它们是完全对称化的。”

“事后我们意识到，这与人们过去用来描述反铁磁体或量子磁体的状态是同一类，”JILA和NIST研究员、物理学兼任教授James Thompson补充道。

在凝聚态物理学中，Lieb-Mattis态描述的是反铁磁体的量子版本，其中两组原子表现出的自旋方向看似相反，但整个系统并未在空间中选定一个固定的方向。

一种相干且幺正的方法

团队开发的其中一种用于制备目标状态的方法，是通过设计“自旋交换”来纠缠传感器网络的两个节点，即让原子通过光腔来回发送光子。这会导致一种状态，其中一个节点中的每个原子都与另一个节点中的一个原子完美反相关。如果一个原子是“向上”的，那么另一个原子就是“向下”的。

Thompson将这种方法类比为棒球，每个集合就像一支棒球队。球队互相投掷球，或者在这种情况下是光子。每一次球被投出，另一支队伍都能接住。Thompson补充说，重要的是我们不清楚是哪个球员投的球，或者是谁接的球。

“正是这一点建立了这些联系，”Thompson说。“如果球被投出，它肯定会被接住。”

这种方法实现了海森堡标度，即所有原子作为一个量子对象行动时所能达到的最佳精度标度。

损失一个光子并不全是坏事

光腔并非完美无缺。正如Rey解释的那样，有时可能会损失一个光子。团队的第二种方法就考虑到了这一点。

在光腔内，光子可以在反射率极高的镜子之间来回反弹大约十万次，然后才偶然“漏”到另一侧。

“我们确实在损失光子，但关键在于这些光子是以一种集体方式损失的，”Rey说。

由于无法判断是哪个原子导致了光子损失，这反而可以产生纠缠——驱使原子们进入一种无法再损失更多光子的状态。

“到了某个点，它们会变得非常擅长不再‘掉球’，”Thompson说。

“它们会进入一个‘暗态’，在这个状态下，发射出的光子的相位完全抵消，导致所谓的相消干涉，”Rey补充道。

让团队感到意外的是，他们最初试图理解损失这些光子所带来的有害影响。但正如Rey解释的那样，最终正是这种能耗过程将他们引向了他们想要的状态。

“我们最初想要制备的状态是，一半原子被激发，但系统无法集体发射光子，”Kaubruegger补充道。

连接理论与实验，迈向实际应用

团队提出的这些状态可以快速创建，更重要的是，随着系统规模的增大，创建速度反而更快，这使得它们在实际应用中适合扩大量子传感器的规模。

“当只有两个原子时，人们也考虑过这类状态，这很酷，但你更希望使用更多的原子，”Thompson说。“事实证明，原子越多越好！”

通过使量子传感器更加精确，这些纠缠态有朝一日或许能在全球定位系统（GPS）不可用时辅助导航，或揭示地下的隐藏资源，如矿产、石油或天然气。

理论学家与实验学家之间的紧密合作是这项工作的关键。这两个小组相互启发——也相互监督。Kaubruegger说，因为合作如此紧密，他们对实验学家面临的挑战有着更深刻的理解。

而现在，可以说，皮球（即球）已经传到了Thompson小组手中：即在实验中演示这种状态。