没有测量，科学上的任何东西都无法实现或理解。今天，由于量子传感技术的进步，科学家们可以测量过去甚至无法想象的事情:原子的振动，单个光子的特性，与引力波相关的波动。
一种被称为“自旋压缩”的量子力学技巧被广泛认为有望增强世界上最精确的量子传感器的能力，但它一直难以实现。在一项新的研究中，哈佛大学的物理学家描述了他们是如何使自旋压缩更容易实现的。
一种量子纠缠，自旋压缩，限制了粒子集合的波动方式。这使得对某些可观测信号的更精确测量成为可能，但代价是对其他互补信号的精确测量——想想挤压气球如何以牺牲宽度为代价获得更高的高度。
“量子力学可以增强我们测量微小信号的能力，”物理学教授、《自然物理学》上关于自旋压缩的论文的作者诺曼·姚(Norman Yao)说。“我们已经证明，在比以前想象的更广泛的系统类别中获得这种量子增强计量是可能的。”
在气球的比喻中，一个圆圈代表了任何量子测量固有的不确定性，论文的合著者、前格里芬艺术与科学研究生院的学生麦克斯韦·布洛克解释说。
“通过压缩这种不确定性，使气球更像一个椭圆，人们可以重塑测量的灵敏度，”布洛克说。“这意味着某些测量可以比没有量子力学的任何测量都更精确。”
例如，在LIGO实验中，一种类似自旋压缩的方法被用来提高获得诺贝尔奖的引力波探测器的灵敏度。
哈佛团队的工作建立在1993年一篇具有里程碑意义的论文的基础上，该论文首次描述了原子之间“所有对所有”相互作用所带来的自旋压缩纠缠态的可能性。这种互动类似于大型Zoom会议，其中每个参与者同时与其他参与者进行互动。
在原子之间，这种类型的连接很容易使量子力学相关性的建立成为诱导自旋压缩态所必需的。然而，在自然界中，原子通常以一种更像电话游戏的方式相互作用，一次只与几个邻居交谈。
“多年来，人们一直认为，只有通过所有对所有的相互作用，才能获得真正的量子增强自旋压缩，”该论文的联合主要作者、前格里芬艺术与科学研究生院的学生叶炳田说。“但我们已经证明，这实际上要容易得多。”
在他们的论文中，研究人员概述了一种产生自旋压缩纠缠的新策略。他们直觉地认为，并与法国的合作者很快通过实验证实，自旋压缩的成分存在于自然界中常见的一种磁性中——铁磁性，这也是使冰箱磁铁粘在一起的力。
他们假设所有对所有的相互作用并不是实现自旋压缩所必需的，相反，只要自旋连接得足够好，可以同步到一个磁状态，它们也应该能够动态地产生自旋压缩。
研究人员乐观地认为，通过降低自旋压缩的障碍，他们的工作将激发量子科学家和工程师创造更多便携式传感器的新方法，这些传感器在生物医学成像、原子钟等领域都很有用。
本着这种精神，姚现在正在领导实验，用氮空位中心制造自旋压缩量子传感器，氮空位中心是金刚石晶体结构中的一种缺陷，长期以来一直被认为是理想的量子传感器。
本文由哈佛大学官方报纸《哈佛公报》提供。更多大学新闻，请访问harvard。edu。
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