该实验从旋转地球的局部位置(奥地利维也纳)开始，在一个放大插图中绘制了一个光纤Sagnac干涉方案。两个难以区分的光子入射到分束器立方体上，它们之间产生纠缠，然后在光纤干涉仪中耦合。来源:Marco Di Vita
维也纳大学的一项量子物理实验在使用纠缠光子测量地球自转方面取得了突破性的精度。
该研究利用增强型光学Sagnac干涉仪，利用量子纠缠来检测旋转Nal效应具有前所未有的精度，为量子力学和广义相对论提供了潜在的突破。
Pio尼尔宁量子实验
一组研究人员进行了一项开创性的实验，他们测量了地球自转对量子纠缠光子的影响。维也纳大学的菲利普·瓦尔特(Philip Walther)领导的这项研究刚刚发表在《科学进展》(Science Advances)杂志上。它代表了一项重大成就，突破了基于纠缠的传感器的旋转灵敏度的界限，可能为进一步探索量子力学和广义相对论的交叉点奠定了基础。
Sagnac干涉仪的研究进展
光学Sagnac干涉仪是对旋转最敏感的器件。自上世纪初以来，它们一直是我们理解基础物理学的关键，有助于建立爱因斯坦的狭义相对论。今天，它们无与伦比的精度使它们成为测量转速的终极工具，仅受经典物理边界的限制。
Sagnac干涉仪由2公里长的光纤包裹在1.4米边长的方形铝框架上。来源:Raffaele Silvestri
量子纠缠提高灵敏度
采用量子纠缠的干涉仪有可能打破这些界限。如果两个或两个以上的粒子纠缠在一起，只有整体状态是已知的，而单个粒子的状态在测量之前是不确定的。这可以用于每次测量获得比没有它可能获得的更多信息。然而，由于纠缠的极其微妙的性质，在灵敏度上所承诺的量子飞跃受到了阻碍。
维也纳实验的不同之处就在于此。他们建造了一个巨大的光纤Sagnac干涉仪，并在几个小时内保持了低噪音和稳定。这使得能够探测到足够多的高质量纠缠光子对，从而比以前的量子光学Sagnac干涉仪的旋转精度高出1000倍。
量子测量的创新技术
在Sagnac干涉仪中，两个沿旋转闭合路径相反方向运动的粒子在不同的时间到达起点。对于两个纠缠的粒子，它变得令人毛骨悚然:它们的行为就像一个粒子同时测试两个方向，同时积累的时间延迟是没有纠缠的情况下的两倍。这种独特的特性被称为超分辨率。在实际实验中，两个纠缠光子在一根2公里长的光纤内传播，缠绕在一个巨大的线圈上，实现了一个有效面积超过700平方米的干涉仪。
克服量子实验中的挑战
研究人员面临的一个重大障碍是分离和提取地球的稳定自转信号。“问题的核心，”主要作者Raffaele Silvestri解释说，“在于为我们的测量建立一个参考点，在那里光不受地球旋转效应的影响。鉴于我们无法阻止地球自转，我们设计了一个解决方案:将光纤分成两个等长的线圈，并通过光开关将它们连接起来。”
通过打开和关闭开关，研究人员可以有效地取消旋转信号，这也使他们能够延长大型仪器的稳定性。“我们基本上欺骗了光，让它认为它在一个不旋转的宇宙中，”西尔维斯特里说。
有限公司证实了量子力学和相对论的相互作用
这个实验是作为由维也纳大学和奥地利科学院主办的研究网络TURIS的一部分进行的，它成功地观察到了地球自转对最大纠缠双光子态的影响。这证实了旋转参照系和量子纠缠之间的相互作用，正如爱因斯坦的狭义相对论和量子力学所描述的那样，与以前的实验相比，精度提高了一千倍。
“这是一个重要的里程碑，因为在第一次观测到地球的光自转一个世纪之后，光的单个量子的纠缠终于进入了同样的灵敏度体系，”作为居里夫人博士后研究员参与这项实验的余浩村说。
“我相信我们的研究结果和方法将为进一步提高缠结传感器的旋转灵敏度奠定基础。这将为未来通过时空曲线测试量子纠缠行为的实验开辟道路，”Philip Walther补充道。
参考文献:“利用量子纠缠对地球自转的实验观察”，作者:Raffaele Silvestri, Haocun Yu, Teodor Str?mberg, Christopher Hilweg, Robert W. Peterson和Philip Walther, 2024年6月14日，《科学进展》。DOI: 10.1126 / sciadv.ado0215
