科学家们第一次将纠缠的原子用作网络量子传感器，特别是原子钟和加速度计。研究小组的实验装置产生了对时间和加速度的超精确测量。与不利用量子纠缠的类似设置相比，他们的时间测量精度提高了 3.5 倍，加速度测量精度提高了 1.2 倍。
该研究结果发表在《自然》杂志上， 得到了Q-NEXT的支持，Q-NEXT是美国能源部(DOE)国家量子信息科学研究中心，由能源部阿贡国家实验室领导。这项研究是由斯坦福大学、康奈尔大学和美国能源部布鲁克海文国家实验室的科学家进行的。
该论文的第一作者、Q-NEXT的成员、物理学和应用物理学教授Mark Kasevich说：“在这种配置中使用纠缠的影响是，它产生了比不使用量子纠缠作为资源时更好的传感器网络性能，”斯坦福大学人文科学学院William R. Kenan jr教授表示：“对于原子钟和加速度计，我们的产品是一个开创性的演示。”
什么是量子纠缠？它如何应用于传感器？
纠缠是自然界在量子层面的一种特殊属性，是两个或多个物体之间的相关性。当两个原子纠缠在一起时，可以通过仅观察一个原子来测量两个原子的性质。无论纠缠原子之间的距离有多远（即使是光年）都是如此。
一个有用的日常类比：一个红色弹珠和一个蓝色弹珠放在一个盒子里。如果你从盒子里抽出一颗红色弹珠，不用看另一颗，你就知道它是蓝色的。弹珠的颜色是相关的，或者说纠缠的。
在量子领域，纠缠更为微妙。一个原子可以同时呈现多种状态（颜色）。如果我们的弹珠像原子，那么每个弹珠都会同时呈现红色和蓝色。当它坐在盒子里时，既不是全红也不是全蓝。量子弹珠只有在被揭示的那一刻才“决定”它的颜色。一旦你画出一个“确定”颜色的弹珠，你就知道它纠缠的同伴的颜色。
对纠缠对中的一个进行测量，实际上就是同时读取两者。
进一步说：两个纠缠的时钟实际上等同于一个带有两个显示器的时钟。使用纠缠时钟进行的时间测量比使用两个独立的同步时钟进行的测量更精确。
为什么这很重要？
原子钟和加速度计的更高灵敏度将导致更精确的计时和导航系统，例如全球定位系统、国防和广播通信中使用的系统。超精密时钟也用于金融和贸易。
Kasevich 说：“ GPS 告诉我现在大约一米的位置，”“但是，如果我想知道我在 10 厘米以内的位置怎么办？这就是更好时钟的影响。”
关于超精密时钟的说明
人们可以通过计算电磁波中的脉冲数来标记时间的流逝，就像你可以计算时钟的滴答声一样。如果你知道一个特定的波每秒脉冲60亿次，你就知道，一旦你数了波的60亿个波峰，一秒钟就过去了。所以知道微波的确切频率就能精确地追踪时间。
它是如何工作的？
纠缠： 被困在空腔内的铷原子被分成两组，每组约有 100,000 个原子。这些小组坐在两面镜子之间。光线在镜子之间来回反射，每次发射都会追踪穿过原子团的路径。反弹的光线使它们纠缠在一起。
传感： 微波在两组原子产生涟漪。恰好与微波的特定频率发生共振的原子通过改变为不同的状态做出响应，就像当女高音演奏正确的音符时酒杯会振动一样。类似地，当对原子组施加特定的加速度时，每个组中的一些原子通过改变状态做出响应。
测量结果： 两个纠缠在一起的原子团就像一个时钟的两个面，或者一个加速度计的两个读数。研究小组测量了每组中改变状态的原子数量，即那些像酒杯一样振动的原子。然后他们使用这些数字来计算应用于两组的微波频率的差异，从而计算出两组时间或加速度读数的差异。
提高精度： Kasevich 团队发现，纠缠提高了显示器读取的频率或加速度差异的精度。在他们的设置中，当时钟纠缠在一起时，对两个位置的时间测量要比它们独立工作时精确3.5倍。对于加速度，纠缠的测量精度提高了 1.2 倍。
影响
Kasevich说：“如果你想知道某件事需要多长时间，你可能会以一个时钟作为起点，然后跑到另一个房间看另一个时钟，作为终点，”“我们的方法利用纠缠原理使这种比较尽可能精确。”
研究人员还使用这种配置成功地将四个不同位置的四组原子连接起来。在该团队的实验中，两组原子之间的间距约为 20 微米，接近人类头发的平均宽度。他们的工作意味着可以在四个独立但距离很近的位置之间，以前所未有的灵敏度比较时间或加速度。
“在未来，我们希望将它们推向更远的地方。世界需要可以比较时间的时钟。加速度计也是如此。在某些传感配置中，您希望能够读出一组相对于另一组的加速度差异。我们能够展示如何做到这一点，”Kasevich 说。
Q-NEXT副主任JoAnne Hewett说：“这是 Mark 和他的团队的杰作，”JoAnne Hewett也是SLAC国家加速器实验室基础物理学副主任和首席研究官，也是斯坦福大学粒子物理学和天体物理学教授。“这意味着我们可以利用纠缠来开发比我们今天使用的传感器更强大的传感器。我们距离利用量子现象改善我们的日常生活又近了一步。”
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