比精确更精确
比精确更精确小雨
原理 2023-01-27 04:34
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近一个世纪前，物理学家海森堡（Werner Heisenberg）就意识到，支配了微观世界的量子力学定律，对准确测量微观物体的某些属性设定了一些基本限制。例如在微观世界中，位置和速度就无法同时被精确测量，我们越是精确地知道一个粒子的位置，对其动量的了解就越少。这便是不确定性原理。
然而，对精准测量设置了限制的量子力学，又能提供比其他都更为精确的测量方法。在一项新发表于《自然·物理》杂志上的研究中，一组国际物理学家团队就描述了一种利用量子计算机来实现的对微观物体的更精确测量方法。
不确定性原理
其实，如果被测量的对象是像汽车这类宏观物体的属性，那么这些过程将会是简单明了的。例如，当我们要测量一辆车的位置、颜色、速度等属性时，我们可以一个接一个地对这些属性进行测量，或一次性地对这些属性进行测量。这些测量过程非常直接了当，因为这些属性都是确切的，而且测量这辆车的位置，并不会改变它的颜色或速度。
然而，如果测量对象变成了微观世界的物体，比如电子或光子，问题就变得复杂了。这些量子物体的一些属性是相互关联的，测量其中一个属性会对另一个属性产生影响。这正是文章开头所说到的“不确定性原理”，测量一个粒子的位置会影响对它的速度的测量，反之亦然。
这种会相互影响的属性被称为“共轭”性质。这些性质之间的关联，正是不确定性原理的一种直观表现。想要同时对一个量子物体的两个共轭性质进行精准测量是不可能的——对一个知道得越多，对另一个知道得就越少。这就给一些研究人员造成了困扰，因为尽可能精确地测量量子物体的属性，对于推进基础科学以及开发新的技术来说都至关重要。
相同的纠缠物体
在这项新的研究中，研究人员设计了一种能更准确地测量这些共轭性质的方法。这项新技术所用到的一个核心概念，便是量子纠缠。纠缠是量子力学的一个基本特征，在计量和通信的发展上有很大的影响。目前，量子计量学主要聚焦在产生高度纠缠的量子态上，与没有纠缠的情况相比，两个纠缠在一起的物体可以被更准确地测量。
受到量子计算机可以精确地控制量子物体的状态的启发，在实验中，研究人员用量子计算机创建了两个相同的量子物体，并让它们纠缠在一起。通过对这两个纠缠的物体进行同时测量，他们能够以比对它们进行单独测量更精确的方式确定它们的性质。因为这样的测量可以减少了测量过程中的噪声，使测量结果更加准确。
研究人员在世界各地的几个不同实验室种进行这种测量。他们总共在19台不同的量子计算机上实现了这种测量方法。这些设备分布在欧洲和美国各地，可以通过互联网访问，使位处不同地方的研究人员也能够进行这些重要的研究。
从理论上说，对含有三个或更多的量子物体的系统进行纠缠和测量，可以达到更高的测量精度。然而，目前研究人员还无法在实践中做到这一点。这是因为同时对三个相同的纠缠物体进行测量，将需要处理非常大的噪声。不过研究人员表示，随着量子计算机的精进，在未来同时精确地测量一个三个相同的纠缠物体是有可能的。
实际应用
新的测量方法或将被大量用于生物医学传感、激光测距和量子通讯等下一代技术中。这种方法的一个关键优势就是，即便在噪声非常大的情况下，我们仍然可以观测到量子增强。这对实际应用来说是个非常好的信号，因为以生物医学为例，大多数的测量将不可避免地发生在嘈杂的环境中。
此外，这项研究对不确定性原理也有着新的启示。不确定性原理的一种诠释是，我们不可能无限精确地测量量子物体的共轭性质。与此同时，它还有另一种诠释，即测量一个量子物体的一个共轭性质，一定会对另一个共轭性质造成最小程度的干扰。这项研究让物理学家意识到，不同的场景可能需要不同的不确定性原理，而具体情况需取决于所考虑的物理环境。
#创作团队：
编译：小雨排版：雯雯
#参考来源：
https://theconversation.com/physicists-have-used-entanglement-to-stretch-the-uncertainty-principle-improving-quantum-measurements-197712https://www.nature.com/articles/s41567-022-01875-7#图片来源：
封面图&首图：Jahan Jarnestad / The Royal Swedish Academy of Sciences
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