活塞式壓力計結構、基本參數以及使用方式
2023-04-21
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量子糾纏可以使加速度計和暗物質傳感器更準確
- 發布時間：2023-04-21
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【概要描述】光機械傳感器測量干擾響應移動的機械傳感設備的力。然后用光波測量該運動。在這個實驗中，傳感器是膜，它就像鼓皮一樣，在受到推動后振動。光機械傳感器可以用作加速度計，可以在沒有GPS衛星的星球上或建筑物內用于慣性導航，因為人們在不同的樓層導航。
量子糾纏可以使加速度計和暗物質傳感器更準確
【概要描述】光機械傳感器測量干擾響應移動的機械傳感設備的力。然后用光波測量該運動。在這個實驗中，傳感器是膜，它就像鼓皮一樣，在受到推動后振動。光機械傳感器可以用作加速度計，可以在沒有GPS衛星的星球上或建筑物內用于慣性導航，因為人們在不同的樓層導航。
- 發布時間：2023-04-21
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曾經讓愛因斯坦感到不安的“遠距離幽靈般的動作”可能正在變得像目前在智能手機中測量加速度的陀螺儀一樣平淡無奇。
根據《自然光子學》(Nature Photonics)的一項新研究，量子糾纏顯著提高了無需GPS即可導航的傳感器的精度。
密歇根大學電氣和計算機工程副教授、該研究的共同通訊作者Zheshen Zhang說：“通過利用糾纏，我們提高了測量靈敏度和測量速度。”
光機械傳感器測量干擾響應移動的機械傳感設備的力。然后用光波測量該運動。在這個實驗中，傳感器是膜，它就像鼓皮一樣，在受到推動后振動。光機械傳感器可以用作加速度計，可以在沒有GPS衛星的星球上或建筑物內用于慣性導航，因為人們在不同的樓層導航。
量子糾纏可以使光機械傳感器比目前使用的慣性傳感器更準確。它還可以使光機械傳感器尋找非常微妙的力，例如識別暗物質的存在。暗物質是一種不可見的物質，根據相關信息，其在宇宙中所占的質量是我們可以用光感知到的質量的五倍。它會用重力拉動傳感器。
以下是糾纏如何改進光機械傳感器：
光機械傳感器依賴于兩個同步的激光束。其中一個被傳感器反射，傳感器的任何移動都會改變光在到達探測器的路上的傳播距離。當第二波與第一波重疊時，行進距離的差異就會顯現出來。如果傳感器靜止，則兩個波完全對齊。但如果傳感器在移動，它們會產生一種干擾模式，因為它們的波峰和波谷在某些地方相互抵消。這種模式揭示了傳感器中振動的大小和速度。
通常在干涉測量系統中，光傳播得越遠，系統就變得越精確。地球上最靈敏的干涉測量系統，激光干涉儀引力波天文臺，在8公里的旅程中發出光。但這不適合智能手機。
為了實現小型化光學機械傳感器的高精度，研究團隊探索了量子糾纏。他們沒有將光分開一次，使其從傳感器和鏡子上反射，而是將每束光分開第二次，使光從兩個傳感器和兩個鏡子上反射。亞利桑那大學光學科學助理教授Dalziel Wilson和他的博士生Aman Agrawal和Christian Pluchar一起制造了膜裝置。這些膜只有100納米或0.0001毫米厚，在非常小的力的作用下移動。
將傳感器加倍可提高準確性，因為膜應該彼此同步振動，但糾纏增加了額外的協調水平。研究團隊通過“擠壓”激光產生了糾纏。在量子力學對象中，例如構成光的光子，對粒子的位置和動量的了解程度存在基本限制。因為光子也是波，所以這轉化為波的相位和它的振幅。
亞利桑那大學博士畢業生、該論文的共同通訊作者Yi Xia說：“壓縮重新分配了不確定性，從而更準確地知道壓縮分量，而反壓縮分量攜帶了更多的不確定性。我們壓縮相位是因為這是我們測量需要知道的。”
在壓縮光中，光子之間的關系更為密切。研究人員將光子通過分束器與汽車駛入高速公路的岔路口時發生的情況進行了對比。
他說：“有三輛車朝一個方向行駛，三輛車向另一個方向前進。但在量子疊加中，每輛車都朝兩個方向行駛。現在左邊的車與右邊的車糾纏在一起。”
因為兩個糾纏光束的波動是相關的，所以它們相位測量的不確定性是相關的。因此，借助一些數學魔法，該團隊能夠獲得比使用兩根未糾纏的光束更精確40%的測量結果，而且他們可以更快地完成測量60%。更重要的是，精度和速度預計會隨著傳感器數量的增加而提高。
研究人員表示，預計一系列增強糾纏的傳感器將提供比現有傳感技術數量級的性能增益，從而能夠檢測超出當前物理模型的粒子，打開通往尚未觀察到的新世界的大門。
該團隊的下一步是將系統小型化。他們已經可以將壓縮光源放在邊距僅半厘米的芯片上。他們希望在一兩年內擁有帶有壓縮光源、分束器、波導和慣性傳感器的原型芯片。
該研究發表于《自然光子學》上。
DOI：10.1038/s41566-023-01178-0)
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2023-04-21
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