最新研發：「怪異」而又強大的量子糾纏傳感器

來源：量子認知

許多人都知道，傳感器廣泛應用於我們的現代科技與社會生活中。傳感器的功能猶如人類五大感覺器官，比如，如人的視覺的光敏傳感器，如人的聽覺的聲敏傳感器，如人的嗅覺的氣敏傳感器，如人的味覺的化學傳感器，如人的觸覺的流體傳感器等等。按工作原理、技術、應用的不同分類，傳感器可以有上百種。傳感器的功能強大與否取決於其靈敏度。例如，一個體溫水銀溫度計，每當溫度上升1°C時，水銀柱上升1毫米，則這個水銀溫度計的靈敏度為1mm/°C。

現在，東京大學先進科學技術研究中心（RCAST）的科學家們研發了一種嶄新的、極度敏感、「怪異」而又強大的傳感器。這一傳感器無論從工作原理還是使用技術，都是前所未有的。這一傳感器之所以「怪異」，是因為採用了如愛因斯坦所稱的「遠距離怪異作用」的量子糾纏原理。這一重大科技成果刊登在今天的《科學》期刊上。

為什麼說這樣的傳感器是異常強大的呢？想像一下，如果有一個傳感器足夠的強大與靈敏，可以遠遠地稍稍掃描一下，可以告訴你在一個巨大的乾草叢堆中何處藏有一根針。你可能覺得不可思議，這似乎只可能存在於科幻小說與電影之中。

但是，利用量子力學的最違反直覺的糾纏效應，科學家們能夠將這種靈敏度水平變成現實。許多人知道，量子糾纏是一種純粹發生於量子系統的奇異現象，它允許相聯的粒子在很長的距離內立即相互作用，所以被愛因斯坦稱為「遠距離的怪異作用」。

科學家們是如何研發出這樣的傳感器的呢？實驗已經證實，量子力學允許這樣的情況，即系統的各個部分不再可以單獨描述，而從根本上變得糾纏在一起，因此對一個部分的測量會自動確定另一個部分的命運。例如，兩個電子發生糾纏，測量一個會影響另一個電子的狀態。科學家們認知到此量子糾纏原理已經數十年了，但研發出基於糾纏的、非常靈敏的探測器才剛剛開始。

研究團隊在進行的實驗中，將一小塊一毫米大小的釔鐵石榴石球體與超導約瑟夫森結量子位放置在同一諧振腔中作為傳感器。釔鐵石榴石是一種合成石榴石，是一種亞鐵磁性材料。石榴石是一組在青銅時代就已經使用為寶石及研磨料的矽酸鹽礦物。

約瑟夫森結由二個互相微弱連接的超導體組成。約瑟夫森效應是宏觀量子效應的一種體現。它以英國物理學家布賴恩·約瑟夫森命名，這位物理學家在1962年提出了弱連結上的電流與電壓關係式。約瑟夫森結在量子線路當中有許多重要的應用，例如超導量子干涉儀、超導量子計算以及快速單磁通量子數字電子設備等。電壓1伏特的標準是由19,000個串連的約瑟夫森結陣列所構成。

研究人員將釔鐵石榴石的微小球體耦合到諧振腔，進而又耦合到腔體和量子位之間，因此如果球中不存在磁激發，則只能通過電磁脈衝來激發量子位。然後，讀取量子位的狀態即可揭示球體的狀態。

這樣，只需通過使用單次的一次性檢測而不是通常所採用的平均值，就可以既靈敏又快速地檢測與傳感信號信息。如此利用量子糾纏的傳感器可以確定在毫米大小的球體中是否存在單個磁激發，這使科學家們更接近物理定律下可能的磁檢測極限。

這種通過奇異的量子糾纏力將小磁球與傳感耦合的方法，代表了可以與磁性材料相互作用的量子系統的重大進展。這項研發為功能極其強大的傳感器開闢了道路，將有利於進一步地探測不僅宏觀世界而且微觀世界。比如，研究人員認為，這一功能極其強大的傳感器可以幫助尋找理論上稱為軸子的暗物質粒子。

軸子（axion）是一種設想的亞原子粒子，是1970年代為了解決CP守恆問題所提出的一個假想粒子，目前科學家們正在努力不停地尋找它。CP守恆問題，又稱CP不守恆，在宇宙學中它對解釋今天宇宙中為什麼物質的數量超過反物質的數量的觀點，具有極其重要的意義。

這種量子感測方法基於將一個受良好控制的傳感系統纏結到感興趣的系統中，以檢測後者中的激發量子；將超導量子比特與亞鐵磁性晶體糾纏在一起，使用超導量子位作為量子傳感器，將對量子傳感以及混合量子系統組件很有用，將在量子技術與社會生活領域中中具有廣泛的應用前景。

參考論文：「具有超導量子比特的單磁振子的基於糾纏的一次性檢測」

登載刊物：《科學》雜誌，2020年1月24日

DOI：10.1126 / science.aaz9236

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