用量子糾纏當GPS，無訊號地區也能精準定位了

量子糾纏（quantum entanglement）是指粒子之間發生的一種特殊耦合現象。在糾纏態下，我們無法單獨描述各個粒子的性質，只能描述整體系統的性質的現象，這種影響不隨距離的改變而消失，即使粒子之間相隔整個宇宙也不會改變。

一項新的研究表明，使用量子糾纏機制，感測器可以在檢測運動時更加準確且更快。科學家認為，這些發現可能有助於發展不依賴 GPS 的導航系統。

在美國亞利桑那大學等機構在《Nature Photonics》提交的一項新研究中，研究人員對光機械感測器（optomechanical sensor）進行了實驗，其使用光束對幹擾進行響應。這些感測器如用作加速度計，智慧型手機可以使用它來檢測運動。另一方面，加速度計也可用於 GPS 訊號不佳區域的慣性導航系統，如地下、水下、建築物內部、偏遠地區以及無線電訊號受干擾的地方。

論文《Entanglement-enhanced optomechanical sensing》：

論文連結：https://www.nature.com/articles/s41566-023-01178-0

為了提升光機械感的性能，研究人員嘗試使用糾纏，愛因斯坦稱之為“幽靈般的遠距離作用”。糾纏的粒子基本上是同步的，不管它們相距有多遠。

研究人員希望在未來兩年內獲得原型糾纏加速度計晶片。

量子糾纏雖然無視距離，但也極易受到外界幹擾。量子感測器利用了這種敏感性來幫助檢測周圍環境中最輕微的干擾。

「先前我們對量子增強光機械感測的研究，主要集中在提高單一感測器的靈敏度上，」該研究的主要作者、亞利桑那大學圖森分校的量子物理學家Yi Xia 表示。 「然而，最近的理論和實驗研究表明，糾纏可以大幅提高多個感測器之間的靈敏度，這種方法被稱為分佈式量子感測。」

光機械感測器的機制依賴兩個同步的雷射光束。一束光束被稱為振盪器的組件反射，振盪器的任何運動都會改變光線在到達偵測器的途中傳播的距離。當第二條光束與第一條光束重疊時，任何此類行進距離差異都會顯現出來。如果感測器靜止不動，則兩個光束完全對齊；如果感測器移動，重疊的光波會產生干涉圖案，可透露感測器運動的大小和速度。

這項新研究中，亞利桑那大學Dal Wilson 小組的感測器使用膜作為振盪器，它的作用很像是敲擊後振動的鼓皮。

在這裡，研究人員沒有讓一束光束照射一個振盪器，而是將一束紅外線雷射光束分成兩束糾纏光束，它們從兩個振盪器反射到兩個探測器上。這種光的糾纏性質本質上讓兩個感測器分析一束光，從而共同提高速度和精度。

「我們可以利用糾纏來增強多個光機械感測器的力感測性能，」該研究的主要作者、密西根大學安娜堡分校的量子物理學家Zheshen Zhang 說。

此外，為了提高設備的精確度，研究人員採用了所謂的「壓縮光」。壓縮光利用了量子物理學的一個關鍵原則：海森堡的測不準原理（海森堡不確定性原理），該原理指出，粒子的位置確定，動量就完全不確定，動量確定，位置就完全不確定。壓縮光利用這種權衡來「壓縮」或減少給定變數測量的不確定性—— 在這種情況下，構成雷射光束的波的相位，同時增加了另一個變數測量的不確定性，但研究人員可以忽略。

「我們是少數能夠製造壓縮光源的團隊之一，目前正在探索將其作為下一代精密測量技術的基礎，」Zheshen Zhang 說道。

總而言之，科學家們能夠收集到的測量結果比使用兩個未糾纏的光束更精確 40%，並且速度提高了 60%。此外他們表示，這種方法的精度和速度預計會隨著感測器數量的增加而增加。

「這些發現意味著我們可以進一步將超精密力傳感的性能提升到前所未有的水平，」Zheshen Zhang 表示。

研究人員表示，改良光機械感測器不僅可以帶來更好的慣性導航系統，還可以幫助探測暗物質和重力波等神秘現象。暗物質是一種不可見的物質，被認為佔宇宙中所有物質總量的六分之五，檢測它可能產生的引力效應可以幫助科學家弄清楚它的性質。重力波是時空結構中的漣漪，可以幫助揭示從黑洞到大爆炸的奧秘。

下一步，科學家們計畫將他們的系統小型化。目前人們已經可以在只有半公分寬的晶片上放置壓縮光源。在未來一兩年內，我們有望擁有原型晶片，其中包括壓縮光源、分束器、波導和慣性感測器。 「這將使這項技術更實用、更實惠、更容易獲取，」Zheshen Zhang 說道。

此外，研究團隊目前正在與霍尼韋爾、噴射推進實驗室、NIST 和其他幾所大學合作開發晶片級量子增強慣性測量單元。 Zheshen Zhang 表示：「我們的願景是在自動駕駛車輛和太空船中部署此類整合感測器，以在沒有 GPS 訊號的情況下實現精確導航。

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