突破标准量子极限！MIT-哈佛团队利用量子纠缠实现全局相位测量新方案

　　近日，MIT-哈佛超冷原子研究团队立异性地开发了名为“全局相位光谱（global-phase spectroscopy）”技能，哄骗量子纠缠缩小旌旗灯号，完成了尺度量子极限的冲破，间接丈量获得了2.4(7)dB的计量增益以及4.0(8)dB的激光噪声活络度改良。相干事情以“Quantum-amplified global-phase spectroscopy on an optical clock transition”为题颁发正在国际学术期刊《天然》（Nature）上^[1]。

© Nature

　　光学晶格钟是现今最紧密的计时东西，其波动性以及精度已靠近由量子噪声决议的尺度量子极限（SQL）。虽然实践上哄骗量子纠缠可以冲破这一限定，但正在现实使用中，面对着可扩大性、丈量辨别率和怎样坚持纠缠态波动性等诸多坚苦。

　　尺度量子极限来自于量子力学的几率性基来源根基理，冲破这一极限需求将光晶格中年夜量原子纠缠正在一路，同时保障纠缠态寿命以及探测精度，但正在试验上难以完成。比来，有研究已正在GHZ纠缠态上已完成低于SQL的频次波动度^[2,3,4]，但难以范围化。另外一方面，自旋压缩态无望被用于冲破SQL，绝对GHZ态，它的相关时间更长，但难点正在于态探测需求到达低于量子投影噪声级另外辨别率。

　　对此，该研究团队哄骗量子纠缠，构建了一种Rabi型的“全局相位光谱（GPS）”代替传统的Ramsey光谱技能。该要领基于驱动轮回演变，使驱动的光学量子比特得到Aharonov-Anandan全局相位，正在基态间完成了对掉谐敏感的完备量子相位门。

　　这类立异GPS技能初次将纠缠加强拓展至Rabi型光谱范畴。虽然对本振激光噪声的直流活络度与传统Rabi光谱至关，但GPS对高频的相位（频次）噪声的敏感度浮现∝f ^-4 (∝f ^-6 )的优秀特征，显著优于传统Rabi光谱的∝f ^-2 (∝f ^-4 )以及Ramsey光谱的∝f ⁰ (∝f ^-2 )。更要害的是，传统Rabi光谱经由过程丈量布居数不服衡且需偏频操作，而GPS间接丈量相位并正在共振点时得到最年夜活络度，这为反馈节制供给了抱负前提。这一特征也使GPS能与共振扭转回波技能（rotary echo）联合，有用重聚焦光-原子耦合的没有匀称性，为复合脉冲序列的实行供给了新的技能路径。

　　经由过程以上要领，研究团队哄骗正在二维光晶格中N=2.2(4)×10²个¹⁷¹Yb原子，正在繁多系综中对两个钟跃迁举行差分丈量。经由过程时间反演和谈对压缩探测态记载的差分相位举行缩小，终极完成了低于尺度量子极限2.4(7) dB的计量增益（扣除了残存激光噪声后可达4.0(8) dB）。这是正在具备全局纠缠彼此作用的中性原子体系中初次完成此类冲破。

图1. 纠缠时间反演全局相位光谱的试验安装以及道理

(a)激光冷却的原子被囚禁正在高精致度光学腔内的二维光晶格中

(b)¹⁷¹Yb原子介入GPS的能级图

(c)正在GPS历程中，钟激光驱动原子态正在Bloch球上沿着黄色曲线做关闭静止，堆集的Aharonov-Anandan相位是关闭曲线面积的一半

(d)基于时间反演的量子缩小道理示用意

　　《天然》杂质的审稿人称颂该研究引入了“一系列极具巧思的技能方案（very clever techniques）”，以其“无望移植至现实尖端光学晶格钟体系（have the potential to be transferred to actual state-of-the-art optical lattice clocks）”是“量子计量研究前沿范畴的重要孝敬（a significant contribution at the forefront of quantum metrology research）”。文章中也写道“估计该技能将普遍使用于靠近量子精度极限的新一代原子钟及其余量子传感器范畴（We expect it to be broadly applicable to next-generation atomic clocks and other quantum sensors approaching the fundamental quantum precision limits）”。

　　可以预感，该立异性的要领将鞭策紧密丈量的成长越过尺度量子极限的年夜门，让迷信家从“丈量已知”走向“探测未知”，用一把更紧密的“尺”去摸索洛伦兹对称没有变形破缺、暗物资、宇宙物理学常数的变迁等新物理范畴。

　　[1] Zaporski, L., Liu, Q., Velez, G. et al. “Quantum-amplified global-phase spectroscopy on an optical clock transition”, Nature 646, 309–314 (2025).

　　[2] Song, C. et al. “Generation of multicomponent atomic Schrödinger cat states of up to 20 qubits”, Science 365, 574–577 (2019).

　　[3] Omran, A. et al. “Generation and manipulation of Schrödinger cat states in Rydberg atom arrays”, Science 365, 570–574 (2019).

　　[4] Finkelstein, R. et al. “Universal quantum operations and ancilla-based read-out for tweezer clocks”, Nature 634, 321–327 (2024).