今年的诺贝尔奖授予了三位物理学家，表彰他们在量子纠缠实验领域所作出的贡献。量子纠缠成为了很热门的研究领域。现今，研究焦点已转至应用性阶段，不仅在通讯、计算领域的用途，而且应用于探测的传感器领域中。
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量子纠缠可以帮助精细感知环境，并以无可比拟的精度进行测量。量子传感器本质上是观察粒子与环境的互动情况。量子纠缠可能仍然很神秘，但它具有非常实用的一面。
我们每个人时常在与测量打交道，今天你吃了多少、喝了多少，大约多少斤、多少两，可能这就是你所需要的精度。也有些时候，你想称出更精确的东西，比如一封邮件。邮局的秤会更精细地称量一个信封。这个精度，是测量中的一个要素。
在有些情况下，极其精确的测量至关重要。知道如何精确测量位置可以让GPS帮助导航。更加精确的测量使航天器能够在火星上降落。
精细的测量可以帮助做得更好，认知得更多。这就是量子系统及其纠缠可以发挥作用的地方。它们可以帮助我们精细感知环境，并以无可比拟的精度进行测量。
超常感知能力
量子纠缠的退相干是量子通信中的一个主要障碍。当量子粒子与环境中的某些东西，例如光纤电缆边缘相互作用时，它就会发生，导致其波函数坍缩。
退相干的发生是因为量子状态对其环境非常敏感。这对于量子通信来说是个问题，但当涉及到传感时，这实际上变成了一个优点。它们对环境中微小变化的反应正是使量子传感器如此精确的原因，使它们能够达到我们以前从未梦想过的"幽灵般"的精度。
量子传感器本质上是观察一个粒子如何与环境互动。有不同类型的量子传感器，可以测量各种东西，如磁场、时间、距离、温度、压力、旋转和其他一系列的观察指标。随着我们更深入地认知量子传感器的工作原理，我们可以一睹它们的威力以及它们如何影响我们的生活。
入地观察
在科幻电影中，人们使用了一些幻想的技术，深入地下不用挖掘就能看到地下。这样的技术将可能不再是科幻。现在量子传感器可以帮助人们找到诸如废弃的矿井、管道或电缆、含水层以及任何种类的地下不规则物。在开始挖掘之前知道地下的东西在哪里，可以帮助公司在建造从地铁到摩天大楼的过程中节省大量资金。
原子的量子传感器如何起作用？就像太阳和地球一样，我们周围的东西也有引力，尽管是更小的引力。像花岗岩矿脉这样致密的物质会比空荡荡的地铁隧道有更大的引力。当从地面上测量时，这种差异可能很小，但一个足够精确的传感器可以检测到。
伯明翰大学的一个研究团队利用原子作为量子传感器，显示了这种传感器可以多么精确。他们将两个原子放在一个引力场中，给其中一个原子一个小小的 "踢"作用，使其向上。这个原子在引力的作用下回落下来。
因为粒子可以像波一样行动，这两个原子互相干涉，形成一个干涉模式。原子波的两个波峰可能对齐，造成增强性干涉。一个波峰可能与一个波谷对齐，造成减弱性干扰。引力的微小差异将改变原子的干涉模式，允许对引力场进行微小的测量。
这不仅可以认知地下是什么，而且还可以帮助我们预测如火山何时爆发。岩浆填充火山下的空腔将改变局部的引力。分布在火山上的传感器也许能够感应到一个空腔的填充情况，从而希望在火山爆发前发出预先警告。
没有比量子时间更敏感的时间了
原子钟是量子传感器的另一个例子，可以产生极端精确的精度。原子钟依靠的是原子的量子特性。首先，原子中的所有电子都有一些能量。想象一下，电子以一定的距离围绕着原子核运行。电子只能在离散的状态下运行，并由高度特定的能级分隔。为了从一个能级转移到另一个能级，电子可以吸收一个精确频率的光子来向上移动，或者发射一个光子来向下移动。当一个电子在原子周围改变其能量状态时，原子钟就会工作。
现在的标准时间是由一个铯原子钟决定的。这个钟非常精确，在一亿年内既不会增加也不会减少一秒。为了如此精确地测量时间，这个原子钟使用激光束以极其精确的光频率照射铯原子，将其电子踢到更高的水平。对激光的光频率进行精确的校准，能够获得时间，因为频率是时间的倒数。
铯原子钟
如果原子不是单独工作，而是彼此纠缠在一起，还可以做的更好。麻省理工学院的一个团队利用纠缠的原子制作了一个原子钟。这个时钟的精确度相当令人震惊，它在宇宙的年龄上只损失了100毫秒。
量子纠缠铯原子钟
从非常小到非常大
量子传感器可以让我们的望远镜和显微镜向我们展示更多。
通常情况下，当我们想到探索宇宙时，我们会想象一个收集光子的望远镜，无论是光学、红外还是无线电。但是我们也可以利用引力波来探索宇宙。
当一对黑洞合并或一颗超新星爆炸时，空间和时间结构本身会像池塘上的涟漪一样被拉伸和挤压。我们可以使用干涉仪来探测这些涟漪，干涉仪可以精确地比较两个垂直方向的距离。为测量这一点，这个仪器向每个轴向发送一束光。这些光束在镜子上反弹，回到源头，然后重新组合，形成一个干涉图案。如果来自引力波的波纹从一个方向通过干涉仪，它可能会被稍微拉长，而从另一个方向则会被挤压，导致干涉图案发生变化。这种差异很小，但它将表明引力波的通过。
在这里，纠缠的光子再次可以提供一个优势。干涉仪的测量能力受限于光束内光子到达时间的差异。简单地说，一些光子比其他光子更早到达检测器。通过将纠缠的光子和一种叫做 "光子挤压 "（photon squeezing）的技术与海森堡不确定性原理相结合，我们可以减少这些光子到达时间的差异，而牺牲另一种可观测性。使用这种方法，像LIGO和Virgo这样的干涉仪可以探测到比原子核还小10万倍的振动。
最先进的挤压：LIGO团队成员安装设备作为挤压光升级的一部分。
这种挤压光线也可以帮助提高显微镜的灵敏度。为了让显微镜工作，光线必须照亮被摄体。当光线从样品上反弹并返回到显微镜时，光子到达时间的随机性引入了噪声。通常情况下，这种所谓的“散粒噪声”可以通过增加亮度来减少。但在某些时候，光的强度实际上会损害样品，特别是如果它是某种生物组织。昆士兰大学的一个研究团队表明，使用纠缠的光子并挤压它们可以提高显微镜的灵敏度，而无需损坏样品。
测量是为了在更深层次上认知我们的环境。无论是温度、电场、压力还是时间，这些测量都不仅仅是关于数字。它们是关于理解这些数字的含义以及如何利用微小的变化。量子传感器可用于核磁共振和没有GPS系统的导航。它们可以帮助自动驾驶汽车更好地感知环境，帮助科学家预测火山喷发。
量子纠缠可能仍然很神秘，爱因斯坦称之为“幽灵般的超距作用”。看来他老人家形容的很不错，确实太“幽灵般”了。量子传感器具有如此“幽灵般”的灵感，其灵敏度无可比拟地远远超过了传统仪器，以前所未有的精度测量世界，正在还将发挥越来越巨大的作用。
来自：量子认知
