自旋压缩是一种量子纠缠形式，可以实现更精确的测量（中）。以前已知仅出现在全对多相互作用的系统中（左），哈佛大学的研究人员已经表明，自旋挤压更普遍地发生在形成平面磁体的局部相互作用系统中（右）。图片来源：叶炳天

没有测量，科学中的任何东西都无法实现或理解。今天，由于量子传感的进步，科学家们可以测量曾经甚至无法想象的事物：原子的振动、单个光子的特性、与引力波相关的波动。

一种称为“自旋挤压”的量子力学技巧被广泛认为有望增强世界上最精确的量子传感器的能力，但众所周知，它很难实现。在新的研究中，哈佛大学的物理学家描述了他们如何将自旋挤压置于更好的范围内。

自旋挤压是一种量子纠缠，它限制了粒子系综的波动方式。这使得能够更精确地测量某些可观察信号，但代价是以精确测量其他互补信号为代价 - 想想挤压气球如何以牺牲宽度为代价产生更多的高度。

“量子力学可以增强我们测量非常小信号的能力，”物理学教授、《自然物理学》（Nature Physics）上关于自旋压缩的论文的作者诺曼·姚（Norman Yao）说。“我们已经证明，有可能在比以前认为的更广泛的系统类别中获得这种量子增强计量。”

在气球的比喻中，圆圈代表任何量子测量固有的不确定性，该论文的合著者、前格里芬艺术与科学研究生院学生 Maxwell Block 解释说。

“通过挤压这种不确定性，使气球更像一个椭圆，人们可以重塑测量的灵敏度，”布洛克说。“这意味着某些测量可能比没有量子力学的任何事情都更精确。”

例如，在 LIGO 实验中，使用了自旋挤压的类似物来提高获得诺贝尔奖的引力波探测器的灵敏度。

哈佛团队的工作建立在 1993 年一篇具有里程碑意义的论文之上，该论文首次描述了原子之间的“全对全”相互作用带来自旋挤压、纠缠状态的可能性。这种互动类似于大型 Zoom 会议，其中每个参与者同时与其他每个参与者互动。

在原子之间，这种类型的连接很容易建立诱导自旋压缩状态所必需的量子力学相关性。然而，在自然界中，原子通常以一种更像电话游戏的方式相互作用，一次只与几个邻居通话。

“多年来，人们一直认为，只有通过多对多的交互才能获得真正的量子增强自旋压缩，”该论文的共同第一作者、前格里芬文理研究生院学生 Bingtian Ye 说。“但我们已经证明的是，这实际上要容易得多。”

在他们的论文中，研究人员概述了一种产生自旋挤压纠缠的新策略。他们凭直觉，并与法国的合作者一起通过实验迅速证实，自旋挤压的成分存在于自然界中常见的一种无处不在的磁性类型中——铁磁性，这也是使冰箱磁铁粘住的力。

他们假设 all-to-all 交互不是实现 spin squeing 所必需的，但只要 spin 连接得足够好以同步到磁性状态，它们也应该能够动态生成 spin squeing。

研究人员乐观地认为，通过降低自旋压缩的障碍，他们的工作将为量子科学家和工程师提供新的方法来创造更多便携式传感器，这些传感器可用于生物医学成像、原子钟等领域。

本着这种精神，Yao 现在正在领导实验，在由氮空位中心制成的量子传感器中产生自旋挤压，氮空位中心是钻石晶体结构中的一种缺陷，长期以来一直被认为是理想的量子传感器。

更多信息：Maxwell Block 等人，从有限温度易平面磁学中导出自旋压缩，自然物理学（2024 年）。DOI： 10.1038/s41567-024-02562-5

期刊信息： Nature Physics