一种被称为“自旋压缩”的量子力学方法因其能够显著提升世界顶尖量子传感器的性能而引起关注，但实现这一方法被证明相当具有挑战性。物理学家们的最新研究揭示了自旋压缩如何变得更加可及。
测量是科学的基础，使我们能够理解现象。随着量子传感技术的进步，研究人员现在能够测量先前不可想象的方面，例如原子振动、单个光子的特性和引力波波动。
自旋压缩作为一种量子力学效应，被视为提升目前最准确的量子传感器功能的关键技术。然而，自旋压缩的实际实现一直难以捉摸。在最近的一项研究中，哈佛大学的科学家们揭示了将这一概念变为现实的方法。
自旋压缩涉及一种特定形式的量子纠缠，它限制了一组粒子波动的程度。这使得某些可观测信号的测量更加精确，尽管这需要以其他互补信号的测量精度为代价——类似于挤压气球会增加其高度，但以其宽度为代价。
“量子力学可以提高我们测量非常小信号的能力，”物理教授、该研究的作者之一诺曼·姚解释道。“我们已经证明量子增强的测量技术可以应用于比之前认为的更广泛的系统。”
使用气球类比，论文的合著者、前研究生麦克斯韦·布洛克澄清道，一个圆形象征着任何量子测量中固有的误差。“通过压缩这种不确定性，使气球更像椭圆形， 我们可以改变测量的灵敏度，”布洛克指出。“这使得某些测量能够达到没有量子力学时无法取得的精确度。”
一种自旋压缩的变体已被实施，以提升LIGO实验中引力波探测器的灵敏度，该实验因其成功获得了诺贝尔奖。
哈佛团队的发现基于1993年一篇重要论文，该论文首次提出了一种可以通过原子之间“全对全”交互进行自旋压缩的纠缠态的概念。这些交互类似于一个大型Zoom会议，所有参与者同时互动。在原子互动中，这种连接性有助于创建自旋压缩状态所需的量子力学关联。然而，在实际条件下，原子通常更像是在玩电话游戏，只与少数邻居进行沟通。
据研究的共同主要作者、同为前研究生的叶冰天称：“多年来，人们认为真正的量子增强自旋压缩只能通过全对全的交互发生。但我们已经证明，实现这一点要简单得多。”
研究人员提出了一种新颖的方法来生成自旋压缩纠缠。他们与法国的合作伙伴一起发现，自旋压缩的条件可以在自然界中常见的一种磁性中找到——铁磁性，这就是冰箱磁铁吸附的原因。他们建议，全对全的交互并不是实现自旋压缩的必要条件。相反，使自旋充分连接以同步成磁态，使其能够动态生成自旋压缩。
研究人员保持乐观，相信通过降低实现自旋压缩的障碍，他们的发现将鼓励量子科学家和工程师开发更便携的传感器，这对生物医学成像、原子计时等领域的应用将大有裨益。
为了推动这一目标，姚正在领导实验，旨在基于氮-空位中心（钻石晶体结构中的缺陷，因其适合作为量子传感器而受到认可）产生自旋压缩。
这项研究得到了包括陆军研究办公室、海军研究办公室、能源部、国防部和国家科学基金会等多个联邦机构的资助。
