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打破經典物理學極限,科學家首利用量子纏結測量地球自轉

2024-06-22科學

測量地球自轉的方法不少,過去也取得大量研究成果,但科學家最近首次利用量子纏結方法測量地球自轉速度,不只促進理解量子世界如何與重力交互作用,也為不相容的量子力學、廣義相對論提供突破口。

Sagnac幹涉儀是對旋轉最敏感的裝置,一直在基本物理學實驗中發揮關鍵作用,替愛因史坦建立狹義相對論做出貢獻,還能測量時空本身的微小漣漪,即重力波。隨著技術進步,幹涉儀還可以使用各種不同量子系統進行操作,包括電子、中子、原子、超流體、玻色–愛因史坦凝態(Bose-Einstein condensate)等。

如今,維也納大學物理學家Philip Walther團隊甚至利用它作為測量地球轉速的終極工具,透過量子纏結方法檢測旋轉效應。

首先,科學家發送一對相互纏結的光子進入幹涉儀,在裝置內部,光子可順時針或逆時針穿過光纖環,由於纏結特性,這2個光粒子沿著2公裏長的閉合路徑往相反方向行進,在不同時抵達起點。

它們的行為就像同時測試兩個方向的單一粒子,由於地球旋轉,不同路徑對應的行進距離略有不同(對觀察者來說,朝其中一個方向行進的光顯得更快,朝另一相反方向行進的光顯得更慢),使得纏結光子出現薩格納克效應(光波相對速度差異導致兩束光之間的相移),引起量子幹涉。

測量結果確認相移僅由地球自轉引起,對應之地球自轉速率與當前已知的地球旋轉速度一致。

這項研究結果與方法進一步驗證基於纏結的裝置,對偵測旋轉的靈敏度有所提升,或將有助於未來透過時空曲線測量量子纏結行為的實驗。

新論文發表在【Science Advances】期刊。