重力測量長期以來一直是各個科學和工程學科的基石。從繪制地球地下地質結構圖以進行資源勘探，到監測由構造變動或冰蓋變化引起的微小重力變化，重力測量為我們深入了解地球和塑造地球的力量提供了寶貴的見解。除了地球物理學之外，高靈敏度的引力儀在基礎物理學研究中也至關重要，它們為檢驗愛因斯坦的廣義相對論、尋找假想的暗物質粒子，甚至探測來自遙遠宇宙事件的微弱引力波提供了工具。

傳統的引力儀，通常基于經典的機械原理，一直以來都很好地為我們服務，但它們的靈敏度從根本上受到熱噪聲和機械缺陷的限制。隨著對更精確和更穩定的引力測量的需求不斷增長，對下一代引力儀的探索促使研究人員探索量子力學領域。

原子引力儀利用物質的波粒二象性和原子光譜學的精細精度，成為一種有希望的替代方案，與傳統的引力儀相比，它提供了顯著增強的靈敏度。然而，即使是這些量子傳感器，最終也受到量子漲落的限制，這是海森堡不確定性原理施加的基本限制。為了克服這一障礙，并將精確引力測量的邊界推向更遠，一種革命性的方法應運而生：糾纏增強型原子引力儀。這項技術利用了奇特的量子糾纏現象來減少量子噪聲，并在引力測量中實現了前所未有的靈敏度，標志著該領域向前邁出了重要一步。

原子引力儀：利用量子力學進行引力測量

原子引力儀基于原子干涉原理運行，該技術利用原子的波動性來極其精確地測量加速度。在典型的原子引力儀中，首先使用激光冷卻技術將原子云冷卻到極低的溫度，以減少它們的熱運動。然后，將這些超冷原子向上發射，并施加一系列激光脈沖，這些脈沖充當原子物質波的分束器和反射鏡。

第一個激光脈沖將原子波包分裂成兩個動量狀態的疊加態，有效地為原子創造了兩條路徑。當原子在地球引力場中沿著這些路徑傳播時，它們會累積與重力加速度成正比的相位差。第二個激光脈沖反轉了兩個波包的動量，使它們向彼此傳播回來。最后，第三個激光脈沖充當波束組合器，使兩個波包能夠發生干涉。通過測量不同量子態中的原子數量來觀察干涉圖案，該圖案對累積的相位差非常敏感，從而對原子所經歷的重力加速度也非常敏感。

傳統原子引力儀的靈敏度最終受到標準量子極限（SQL），也稱為散粒噪聲極限的限制。這種限制源于對獨立的、不相關的原子進行測量時固有的量子漲落。本質上，SQL 規定測量精度與所用原子數量的平方根成反比。為了在 SQL 的約束范圍內提高靈敏度，必須增加原子數量，這在實驗復雜性和可擴展性方面提出了實際挑戰。

量子糾纏：量子計量學的新前沿

量子糾纏是量子力學的一個奇特特征，它提供了一種繞過標準量子極限并在測量中實現更高精度的方法。糾纏描述了兩個或多個量子粒子以這樣一種方式聯系在一起的情況，即它們的命運是相互交織的，而與分隔它們的距離無關。測量一個糾纏粒子的屬性會立即影響其他粒子的屬性，這種關聯性在經典物理學中沒有類似物。

在量子計量學的背景下，糾纏可以用來創建原子的“壓縮態”。壓縮態是一種量子態，其中一個測量變量（例如相位）中的噪聲降低到 SQL 以下，代價是互補變量（例如原子數量）中的噪聲增加。通過在原子引力儀中仔細設計壓縮態，研究人員可以有效地抑制重力敏感相位測量中的量子噪聲，從而實現超越經典極限的增強靈敏度。

糾纏增強型原子引力儀：連接糾纏與引力測量

糾纏增強型原子引力儀通過將量子糾纏直接融入原子干涉過程，代表了重力傳感領域的范式轉變。最近的突破性研究表明，這種裝置已成功實現，其靈敏度超過了標準量子極限。在《物理評論 X》上發表的一篇論文詳細介紹了這一成就。

該實驗利用了玻色-愛因斯坦凝聚體（BEC），這是一種超冷原子集合，其中原子失去了它們的個體身份，并表現為一個單一的量子實體。在 BEC 中，自旋改變碰撞被用來產生雙模壓縮態，這是一種糾纏形式，其中量子漲落在原子對之間是相關的。然后，這些壓縮態被轉移到干涉儀中使用的原子鐘狀態，有效地“壓縮”了相位測量中的量子噪聲。

實驗裝置涉及一系列復雜的微波和拉曼脈沖，以操縱糾纏原子并執行干涉測量序列。使用 delta-kick 準直和仔細保持原子密度分布對于最大限度地減少原子損失和在整個測量過程中保持糾纏態的相干性至關重要。通過測量這些糾纏原子的干涉圖案，研究人員證明量子漲落顯著減少，實現了比標準量子極限低 -1.7 dB 的靈敏度。這一結果標志著首次使用量子力學糾纏原子直接測量引力，展示了糾纏對精確引力測量的切實好處。

結論

量子糾纏增強的原子引力儀代表了量子力學和精密測量的奇妙結合。通過利用量子糾纏的力量，研究人員開辟了實現前所未有的重力測量精度的新途徑。該技術的潛在應用范圍廣泛，涵蓋地球物理學、空間探索、時間測量和基礎物理學。隨著挑戰的解決和技術的不斷進步，量子糾纏增強的原子引力儀有望成為現代科學探索和技術創新的基石。