2026年6月17日——为了制造世界上最精确的传感器，科学家们不断改进其性能，使其更加精密、稳定和可靠。但最终，物理限制将阻碍进一步的提升。

JQI研究员Alexey Gorshkov表示：“通过充分拥抱量子物理定律，人们可以突破这些限制带来的性能极限。我们非常兴奋地设计出各种协议，使其尽可能接近这些极限，以完成不同的传感任务。”Gorshkov同时是美国国家标准与技术研究院（NIST）的物理学家、量子信息与计算机科学联合中心的研究员，以及马里兰大学物理系的副教授。

即使是世界上最精密的传感器也并非完全隔离，它们会受到噪声的限制，这些噪声来自环境中如振动、电磁场或温度变化等微妙的干扰。

因此，Gorshkov、JILA研究员Ana Maria Rey和James K. Thompson，以及来自尼尔斯·玻尔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，我们该如何改进下一代传感器？

一个有前景的想法是利用量子纠缠，使原子相互连接，作为一个系统协同工作，形成量子传感器。当原子处于纠缠态时，即使相隔距离，它们也会共享某些特性。原则上，这可以实现更精确的测量。但纠缠态的原子仍然会受到噪声的影响。JILA副研究员、该论文的第一作者Raphael Kaubruegger说：“纠缠态在估算单一参数方面已被充分理解，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。”

研究人员着手识别一类新型的纠缠态，这种纠缠态能够滤除同时影响两个传感器的噪声。随后，他们开发了两种方法，在光学腔内（一对相距约一英寸、使光子来回反射的镜面）创建这些纠缠态。他们在近期发表于《Physical Review X》的论文中描述了这种纠缠态以及两种创建方法。

他们识别出的纠缠态利用了无退相干子空间，这些子空间能免受某些类型干扰的影响，从而静默影响两个传感器的噪声。

激光用于在原子的两个内部状态之间创建相干叠加，但要做到这一点，激光的频率需要精确匹配原子跃迁的频率。

正如Rey解释的那样，挑战在于，即使是最精密的激光也无法长时间维持稳定的频率。这些激光频率的不稳定性会产生噪声，两个传感器都会同等程度地受到这种噪声影响，这目前是顶尖时钟中最具破坏性的误差之一。Rey说：“理想情况下，我们希望将原子制备成对这类噪声不敏感的状态。”Rey同时也是NIST的研究员和科罗拉多大学博尔德分校的物理系客座教授。

Rey说：“我们创建的状态是原子之间的纠缠态，但这种方式使得你无法区分哪个原子属于哪个集合。它们是完全对称化的。”

Thompson补充道：“事后我们意识到，这与人们用来描述反铁磁体或量子磁体的状态是同一类型。”Thompson同样是NIST的研究员和科罗拉多大学博尔德分校的物理系客座教授。

在凝聚态物理中，Lieb-Mattis态描述了一种反铁磁体的量子版本，其中两组原子表现得像是朝着相反方向，但系统并未在空间中选定一个固定方向。

该团队开发的制备所需状态的方法之一，是通过工程实现一种“自旋交换”来纠缠传感器网络的两个节点，即让原子通过光学腔来回发送光子。这会导致一种状态，其中一个节点中的每个原子与另一个节点中的原子完全反相关。如果一个原子是“上”态，另一个原子就是“下”态。

Thompson将这种方法比作棒球，每个集合就像一个棒球队。球队互相投掷球，在本文中就是光子。每次投球，另一队都会接住。Thompson补充说，重要的是我们不知道是哪个球员投的球或者是谁接住的。

Thompson说：“正是这一点建立了这些连接。如果球被投出，就一定会被接住。”

这种方法产生了海森堡标度，即所有原子作为一个量子对象协同作用时能达到的最佳精度标度。

光学腔并非完美无缺。正如Rey解释的那样，有时可能会丢失一个光子。该团队的第二种方法考虑到了这一点。

在光学腔内，光子可以在高反射镜之间来回弹跳约10万次，之后才偶然穿透到另一侧。

Rey说：“我们确实在丢失光子，但关键在于，这种丢失是以一种集体方式发生的。”

由于无法判断是哪个原子导致的损失，这反而可以创造出纠缠态，驱使原子进入一种无法再丢失更多光子的状态。

Thompson说：“到了某个时候，它们变得非常擅长不再‘掉球’。”

Rey补充道：“它们会进入一个‘暗态’，或者说发射光子的相位完全抵消的状态，从而导致所谓的相消干涉。”

团队最初试图理解丢失这些光子的不利影响。但正如Rey解释的那样，最终这种耗散形式实际上将他们引向了所期望的状态。

Kaubruegger补充说：“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一个光子。”

该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，这使得它们对于扩展量子传感器的规模非常实用。

Thompson说：“当只有两个原子时，人们就考虑过这种状态，这很酷，但大家希望能用到更多原子。事实证明，原子越多，效果越好！”

通过提高量子传感器的精度，这些纠缠态未来或许能帮助在GPS不可用的情况下进行导航，或揭示隐藏的地下资源，如矿物、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。这些团队互相启发，也互相监督。Kaubruegger说，由于他们合作非常密切，对实验学家面临的挑战有了更深的理解。

可以说，接下来接力棒交到了Thompson团队手中，他们需要在实验中演示这种状态。