美国国家标准与技术研究院(NIST)的物理学家利用“量子压缩”现象来放大和测量单个被捕获的镁离子(带电原子)的万亿分之一米运动。

在6月21日出版的“科学”杂志中，NIST快速，可逆的挤压方法可以增强对表面科学应用中极弱电场的感应，或者检测原子钟等设备中微量光的吸收。该技术还可以加速量子计算机中的操作。

“通过使用挤压，我们可以比没有量子效应时更高的灵敏度进行测量，”主要作者Shaun Burd说。

“我们展示了有史以来最高水平的量子压缩报告之一，并用它来放大小的机械运动，”NIST物理学家Daniel Slichter说。“对于这些运动，我们对这种运动的敏感度是不使用这种技术的7.3倍。”

尽管挤压橙子可能会造成多汁的混乱，但量子挤压是一个非常精确的过程，它将测量不确定性从一个地方移到另一个地方。

想象一下，你拿着一个长气球，里面的空气代表着不确定性。量子挤压就像在一端挤压气球以将空气推入另一端。您将不确定性从您想要更精确测量的地方移动到另一个地方，在那里您可以以较低的精度生活，同时保持系统的总体不确定性相同。

在镁离子的情况下，其运动的测量通常受到离子位置和动量的所谓量子波动的限制，即使离子具有尽可能低的能量，该量子波动也始终发生。挤压操纵这些波动，例如通过在需要改善位置灵敏度时将不确定性从位置推动到动量。

在NIST的方法中，单个离子被保持在平坦的蓝宝石芯片上方30微米(百万分之一米)的空间中，该蓝宝石芯片覆盖有用于捕获和控制离子的金电极。激光和微波脉冲用于平衡离子的电子和运动到最低能量状态。然后通过以离子前后运动的固有频率的两倍摆动某些电极上的电压来挤压运动。此过程仅持续几微秒。

在挤压之后，向离子施加小的振荡电场“测试信号”以使其在三维空间中移动一点点。为了被放大，这种额外的运动需要与挤压“同步”。

最后，重复挤压步骤，但现在电极电压与原始挤压电压完全不同步。这种不同步挤压反转了最初的挤压;然而，同时它放大了由测试信号引起的小运动。当该步骤完成时，离子运动的不确定性回到其原始值，但是离子的前后运动大于在没有任何挤压步骤的情况下施加测试信号的情况。

为了获得结果，施加振荡磁场以将离子的运动映射或编码到其电子“旋转”状态，然后通过在离子上照射激光并观察其是否发荧光来测量。

使用测试信号允许NIST研究人员测量他们的技术提供多少放大。在实际传感应用中，测试信号将被要放大和测量的实际信号代替。

NIST方法可以放大并快速测量仅为50皮米(万亿分之一米)的离子运动，其大小约为最小原子(氢)的十分之一，约为未压缩量子涨落的大小的百分之一。通过重复实验多次并对结果取平均值，可以测量更小的运动。基于挤压的放大技术允许以比原本需要的少53倍的测量来感测给定尺寸的运动。

先前已经在包括离子在内的各种物理系统中实现了压缩，但NIST结果代表了迄今为止报道的最大的基于压缩的传感增强之一。

NIST的新型压缩方法可以提高量子传感器的测量灵敏度，可以更快地产生纠缠，从而加速量子粒子的特性，从而加速量子模拟和量子计算操作。这些方法也可用于产生异国情调的运动状态。放大方法适用于许多其他振动机械物体和其他带电粒子，例如电子。

这项工作部分得到了陆军研究办公室和海军研究办公室的支持。