可以无限提高测量精度的量子负性

来自剑桥大学,哈佛大学和麻省理工学院的研究人员表明,量子粒子可以携带与其相互作用的对象的无限量的信息。他们结果发表在《自然·通讯》上,凭借这一发现可以实现更精确的测量并支持诸如超精密显微镜和量子计算机等技术。

计量学是估计和测量的科学。如果您今天早上在电子秤上看了看自己的体重,那您已经完成了一次每日计量工作。就像预期量子计算将彻底改变复杂计算的方式一样,利用亚原子粒子的奇异行为,量子计量学可能会改变我们测量事物的方式。

我们习惯于处理从0%(从未发生)到100%(总是发生)的概率。但是,为了解释来自量子世界的结果,概率的概念需要扩展到所谓的准概率——可能是负的。比如说,原子在某个位置并以特定速度行进的概率可能是负数,如-5%。*或许是指Wigner函数

需要引入负概率的实验被称为具有“量子负性”。科学家现已表明,量子负性可以帮助我们完成更精确的测量。

所有度量衡都需要探针,探针可以是简单的秤或温度计。但是,在最新的计量学中,探针是量子粒子,可以在亚原子水平上进行控制。使这些量子粒子与被测物相互作用。然后用检测装置分析粒子。

从理论上讲,探测粒子的数量越多,检测设备获得的信息也越多。但实际上,检测设备的分析速率是有上限的。

剑桥大学卡文迪许实验室的戴维·阿维森松-舒克博士和萨拉·伍德海德研究员表示:“我们已将标准信息理论应用于准概率,并表明可将一百万个粒子的信息凝聚为一个。这意味着检测设备可以在接收到更高速率的信息输入的同时,以理想的速率运行解析。如果仅仅根据正概率理论,这是不可能出现的,但是量子负性使之成为可能。”

多伦多大学的实验小组已开始建立使用这些新理论结果的技术。他们的目标是创建一种量子器件,该器件使用单光子激光来提供难以置信的光学测量精度。这种测量对于先进的前沿技术(如光量子计算机)至关重要。

阿维森松-舒克博士说:“我们的发现开创了在现实应用中使用基本量子现象的令人兴奋的新方法。”

量子计量可以改进测量物体的方式,包括距离,角度,温度和磁场。这些更精确的测量结果可以带来更好,更快的技术,也可以提供更好的资源来探究基础物理学并增进我们对宇宙的理解。

目前,在LIGO汉福德天文台,量子计量学可用于提高重力波的检测精度。但是对于大多数应用而言,之前应用的量子计量技术过于昂贵,且无法通过当前技术实现。所以,最新的成果提供了一种更便宜的手段。

合著者之一Aleksander Lasek说:“科学家经常说’没有免费的午餐之类的东西’,这意味着如果您不愿支付计算费用,将一无所获。但是,在量子计量学中,成本可以任意降低。这是非常违反直觉的,而且确实是惊人的!”

哈佛大学ITAMP博士后研究员,合著者Nicole Yunger Halpern博士说:“量子物理学增强了计量,计算,密码学等方法;但是严格证明这一点则很困难。我们证明了量子物理学使我们能够从实验中提取比传统物理学更多的信息。证明的关键是概率的量子形式。”

原文:https://phys.org/news/2020-07-quantum-negativity-power-ultra-precise.html

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