空间上分离的纠缠原子，为科学家提供了一种强大而精准的新方法来丈量世界。

巴塞尔大学和卡斯特勒-布洛塞尔实验室的研究人员表明，量子纠缠可用于同时测量多种物理量，且测量精度高于以往。

量子纠缠被广泛认为是量子物理学中最奇异的现象之一。当两个量子对象发生纠缠时，即便二者相距甚远，对它们进行的测量仍可产生关联。这些关联表现为经典物理学无法阐释的统计相关性。测量其中一个对象，似乎就能在远处对另一个对象产生影响，这种情形几乎令人匪夷所思。这一现象被称为爱因斯坦-波多尔斯基-罗森悖论，后经实验证实，并因此荣获2022年诺贝尔物理学奖。

将量子之谜转化为测量工具

在此基础之上，巴塞尔大学菲利普·特劳特莱因（Philipp Treutlein）教授团队与巴黎卡斯特勒-布洛塞尔实验室（Laboratoire Kastler Brossel，LKB）的爱丽丝·西纳特拉（Alice Sinatra）教授团队携手开展研究，证实了可利用物理上分离的量子系统间的纠缠进行实际测量。他们的研究表明，分布于空间中的纠缠粒子可用于同时提取多个物理参数，且精度更高。该研究成果近日发表于《科学》杂志。

通过纠缠实现测量精度提升

特鲁特莱因（Treutlein）表示：“量子计量学利用量子效应来提升对物理量的测量精度，如今已成为一个成熟的研究领域。”大约十五年前，他和他的合作者们率先实现了超冷原子自旋的纠缠。这些自旋可被视作微小的指南针指针。当它们发生纠缠时，研究人员能够比单独测量每个原子时更精确地确定其方向。

“然而，这些原子原本都处于同一位置，”特鲁特莱因解释道：“如今，我们通过将原子分散到多达三个空间上相互分离的云团中，扩展了这一概念。由此，纠缠效应便如同在EPR悖论中那样，实现了远距离作用。”

跨空间测量场域

这一方法为测量物理量随空间位置的变化开辟了全新可能。例如，在绘制电磁场空间分布图时，研究人员可运用空间分离的纠缠原子自旋进行探测。如同单点测量一般，量子纠缠能够消弭量子效应带来的不确定性，更可同步抵消对所有原子产生同等影响的外界干扰。

“迄今为止，尚无人对空间分离的纠缠原子云进行过此类量子测量，且针对此类测量的理论框架也尚不明晰，”在特鲁特莱因团队从事博士后研究工作的李一帆说道。该团队与法国国家科研中心（LKB）的同事们共同探索了如何在使用纠缠原子云研究电磁场空间结构时，将测量不确定性降至最低。

为开展这项实验，研究人员首先将单个云团内的原子自旋纠缠在一起。随后，他们将这个云团分割成三个部分，且这三部分依旧保持相互纠缠的状态。仅借助少量测量，他们便能够以远超无远距离云团纠缠状态下预期的精度，确定场分布情况。

原子钟与重力传感器中的应用

巴塞尔小组的博士生莱克斯·约斯滕（Lex Joosten）表示：“我们的测量方案可直接应用于光晶格钟等现有精密仪器。”在光晶格钟中，原子被固定在呈晶格状排列的激光光束中，充当着极其稳定的时间守护者。新方法能够减少因原子在晶格中的分布方式而产生的某些误差，从而实现更精准的时间测量。

同样的原理也可用于改进原子干涉仪——这种仪器用于测量地球的重力加速度。在某些被称为重力仪的应用中，科学家尤其关注重力在空间中的变化情况。通过使用纠缠态原子，这些变化能够比以往更为精确地被测量出来，从而为研究重力和环境提供更为精准的工具。

参考文献：《利用纠缠原子传感器阵列进行多参数估计》，作者：李一帆、莱克斯·约斯滕、优素福·巴马拉、保罗·科尔恰吉、爱丽丝·西纳特拉、菲利普·特罗伊特莱因、蒂尔曼·齐博尔德，发表于2026年1月22日《科学》期刊。DOI：10.1126/science.adt2442