糾纏光子陀螺儀克服了光纖陀螺儀經典極限！

光纖陀螺儀測量飛機和其他運動物體的旋轉和方向，在使用普通的經典光時，其精度受到固有的限制。在一項新的研究中，物理學家首次通過實驗證明，使用糾纏光子克服了這個經典極限，即所謂的「發射雜訊極限」，並達到了經典光無法達到的精確度。由奧地利科學院和維也納量子科學與技術中心的馬蒂亞斯?芬克(Matthias Fink)和魯珀特?烏爾辛(Rupert Ursin)領導的物理學家們，在最新一期的《New Journal of Physics》上發表了一篇關於糾纏增強光子陀螺儀研究論文。

馬蒂亞斯?芬克說：我們已經證明，糾纏光子的產生已經達到了技術上的成熟水平，這使得我們能夠在惡劣的環境下以亞鏡頭雜訊準確度進行測量。光纖陀螺儀(FOGs)類似於常見的旋轉陀螺儀，通常作為玩具出售，因為這兩種陀螺儀都測量一個物體的旋轉。然而，這兩種設備使用的是不同機制：霧沒有運動部件，而是利用光來進行測量。自旋陀螺儀是在19世紀發展起來的，而陀螺儀是在20世紀70年代末引進的，它是基於喬治·薩尼亞克(Georges Sagnac)在1913年首次觀察到的薩尼亞克效應。

(左)光纖陀螺儀實驗裝置及(右)光學設計。圖片：Fink et al. 2019 IOP Publishing

當時，薩尼亞克希望能探測到以太介質，人們認為光就是通過以太介質傳播，但他的實驗卻成為支持相對論的基本測試之一。當兩束光束在干涉儀中以不同的方向繞著一個環運動時，就會產生薩尼亞克效應。當干涉儀處於靜止狀態時，兩束光通過圓環的時間是相同的，但當干涉儀開始旋轉時，沿圓環旋轉方向運動的光束會比另一束走得更遠，因此到達探測器的時間也更長，這種時間差導致兩束光之間的相位差，霧滴測量相位差的精度決定了整個旋轉測量精度。

霧滴精度受到幾個雜訊源的限制，主要的雜訊源是射擊雜訊。由於光子的量子化，產生了射擊雜訊。當單個光子通過設備時，它們的離散性意味著流動不是完全平滑，從而產生白雜訊。雖然可以通過增加功率(光子通過的速率)來降低拍攝雜訊，但是更高的功率會增加其他類型的雜訊，從而導致一種平衡。為了克服射擊雜訊的限制，在新研究中，物理學家們使用了一對糾纏光子，它們處於兩種模式的疊加中，這樣兩個糾纏光子就能有效地沿兩個方向穿過圓環。

糾纏導致光子的德布羅意波長顯著降低，從而導致精度超過了射擊雜訊限制，同樣，也超過了經典光的最佳精度。研究人員預計，探測器技術的進步和更明亮光子源將使糾纏光子霧在不久的將來應用成為可能。總的來說，研究人員希望目前的結果代表著實現光纖陀螺儀最終靈敏度極限的重要第一步。一個有趣的問題是，除了鏡頭雜訊，其他雜訊源在多大程度上可以通過優化的光子態來減少或補償。這些問題的答案可以通過實驗評估其強度，在這種強度下，這些影響會變得非常顯著。

參考期刊《New Journal of Physics》

DOI: 10.1088/1367-2630/ab1bb2

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