纠缠到救援

在寻找自然界中的新粒子和力时，物理学家正在寻找原子和分子中的行为，这些行为是粒子物理学中久经考验的标准模型所禁止的。与这个模型的任何偏差都可能表明物理学家亲切地称之为“新物理学”。

加州理工学院物理学助理教授尼克·赫茨勒（Nick Hutzler）和他的团队正在研究特定类型的偏差，这将有助于解开为什么我们的宇宙中有这么多物质的谜团。当我们的宇宙诞生于大约140亿年前时，物质和它的伙伴反物质被认为同等存在。通常，物质和反物质会相互抵消，但不同类型的粒子之间存在某种不对称性，导致物质胜过反物质。Hutzler的团队使用桌面实验来寻找对称性违反 – 导致我们不平衡的物质主导宇宙的异常粒子行为。

现在，在 《物理评论快报》（Physical Review Letters）上报道，由加州理工学院David和Ellen Lee博士后学者研究助理Chi Zhang领导的团队已经找到了一种方法，通过使用纠缠来改善他们的研究，纠缠是量子物理学中的一种现象，即使没有直接接触，两个远程粒子也可以保持连接。在这种情况下，研究人员开发了一种纠缠分子阵列的新方法，这些分子阵列用作测量对称性违反的探针。通过纠缠分子，阵列对可能干扰实验的背景噪声变得不那么敏感，而对所需信号更敏感。

“这就像把一群橡皮鸭固定在一起，”Hutzler说。“如果你想测量鸭子在浴缸中的运动，如果你把它们完全连接起来，它们对溅水的背景噪音就会不那么敏感。而且它们会对你可能想要测量的东西更敏感，比如电流的流动，因为它们都会集体做出反应。

“我们希望对分子的结构敏感，”张说。“来自实验装置的不受控制的电场和磁场阻碍了我们的测量，但现在我们有了一种新的协议，可以以这种方式纠缠分子，使它们对噪声不那么敏感。

更具体地说，这种新方法可用于寻找电子的微小倾斜，这些倾斜是作为对分子内电场的响应而发生的。“轻微的旋转表明电子或核自旋正在与电场相互作用，根据标准模型，这是被禁止的，”Hutzler说。

“其他纠缠方法通常会增加对噪声的敏感性，”他补充道。“Chi 已经找到了一种方法来降低噪声，同时仍然让我们从纠缠中获得灵敏度增益。”

最近发表在 《科学》杂志上的一项由哈佛大学的Hutzler和John M. Doyle领导的另一项实验研究表明，这些研究中使用的多原子分子具有其他独特的能力，可以保护自己免受电磁噪声的影响，尽管没有纠缠的灵敏度提升。在这项研究中，研究人员表明，他们可以调整分子对外部场的敏感性，实际上使灵敏度消失，从而使分子在很大程度上不受噪声的影响。“凭借新研究中展示的纠缠优势，研究人员可以推动这些实验来探索新物理学中越来越奇特的领域，”Hutzler说。

这项名为“使用无退相干子空间的分子对称性违反的量子增强计量学”的研究由戈登和贝蒂摩尔基金会、阿尔弗雷德·斯隆基金会、美国国家科学基金会、艾伦·李博士后奖学金和量子信息与物质研究所（IQIM）的埃德尔曼研究生奖学金资助。加州理工学院的其他作者包括研究生Phelan Yu和博士后Arian Jadbabaie（Jadbabaie也是 Science 论文的作者）。