在2008年以来的一系列论文中，麻省理工学院电子研究实验室光学与量子通信小组的成员认为，使用纠缠光的光学系统可以比经典光学系统性能更好——即使在纠缠破裂的情况下。

两年前，他们展示了从纠缠光开始的系统可以提供更有效的方式来保护光通信。现在，在一篇发表于物理评论快报，他们证明了纠缠也可以提高光学传感器的性能，即使它不能在光与环境的相互作用中存活下来。

“这是很多人在这个领域所缺乏的理解，”资深研究科学家弗兰科·王(Franco Wong)说，他是该论文的合著者之一，与朱利叶斯·a·斯特拉顿电子工程教授杰弗里·夏皮罗(Jeffrey Shapiro)一起，是光学和量子通信小组的联合主任。“他们认为，如果不可避免的损失和噪音使被测量的光看起来完全是经典的，那么从量子开始就没有任何好处。”因为它有什么用呢?这个实验表明，是的，它仍然有帮助。”

分阶段的

纠缠意味着一个粒子的物理状态限制了另一个粒子的可能状态。例如，电子有一种叫做自旋的特性，它描述了它们的磁性取向。如果两个电子以相同的距离绕原子核旋转，它们的自旋一定相反。即使电子离开原子的轨道，这种自旋纠缠也会持续存在，但与环境的相互作用会迅速破坏它。

在麻省理工学院研究人员的系统中，两束光被纠缠在一起，其中一束光被存储在本地——通过光纤赛跑——而另一束光被投射到环境中。当来自投射光束的光——“探针”——被反射回来时，它携带着它所遇到的物体的信息。但这种光也会受到环境影响的影响，工程师称之为“噪音”。将其与本地存储的波束重新组合有助于抑制噪声，恢复信息。

由于局部波束的相位与探头的相位相关，因此对噪声抑制很有用。如果你把光想象成一种波，有规则的波峰和波谷，如果两束光的波峰和波谷重合，那么它们就是同相位的。如果其中一个的波峰与另一个的波谷对齐，它们的相位是反相关的。

但光也可以被认为是由粒子或光子组成的。在粒子水平上，相是一个模糊的概念。

“传统上，你可以制备相位完全相反的光束，但这只是一个平均有效的概念，”光学与量子通信小组的博士后、这篇新论文的第一作者张哲深说。“平均而言，它们的相位相反，但量子力学不允许你精确测量每个光子的相位。”

提高胜算

相反，量子力学用统计学的方法来解释相。给定对来自两束光的两个光子的特定测量，有可能两束光的相位是相关的。你测量的光子越多，你就越确定光束是相关的还是不相关的。对于纠缠光束，这种确定性的增加要比经典光束快得多。

当探测光束与环境相互作用时，它所积累的噪声也增加了随后相位测量的不确定性。但这对经典光束和纠缠光束都是正确的。因为纠缠光束一开始就具有更强的相关性，即使当噪声使它们回落到经典限制内，在相同的环境下，它们仍然比经典光束表现得更好。

夏皮罗说:“不管你是从量子极限出发还是从经典极限出发，到达目标并反射，然后从目标返回，都会以同样的因素减弱探针和参考光束之间的相关性。”“如果你从比经典情况大很多倍的量子情况开始，这种相对优势就会保持不变，即使两束光都因为损耗和噪声而变成经典。”

在比较使用纠缠光和经典光的光学系统的实验中，研究人员发现，纠缠光系统将信噪比提高了20%，信噪比是一种衡量从反射探头可以重新捕获多少信息的指标。这与他们的理论预测非常吻合。

但该理论还预测，实验中使用的光学设备质量的改进可能会使信噪比增加一倍甚至四倍。由于检测误差随着信噪比呈指数级下降，这可以转化为灵敏度的一百万倍增长。