澳大利亚和英国科学家团队提出一种新方法,可以同时精确测量粒子的位置和动量,重塑了量子不确定性,为未来超精密传感技术奠定了基础。新方法的应用领域包括导航、医学和天文学。相关研究成果发表在最新一期《科学进展》杂志上。
海森堡不确定性原理是量子力学的核心原则之一,由德国物理学家海森堡于1927年提出。该原理指出,某些物理量的成对属性,如粒子的位置和动量,无法同时被精确测量,即对一个属性测得越精确,另一个属性的不确定性就越大。
实验中,团队把不可避免的量子不确定性推到不关注的部分(比如位置和动量的粗略大幅跳动),从而测量真正关注的微小变化。
团队用钟表作比喻来解释他们的发现:只有时针的钟表能粗略读出分钟,但具体时刻不准;只有分针的钟表能精确读分钟,却无法判断小时。同理,他们通过牺牲部分全局信息,将量子测量的精度集中在微小变化上,实现了对粒子位置和动量的同时高精度测量。这种测量理念就是“模运算”。
团队利用先前为量子纠错计算机开发的技术,首次在实验中验证了这一策略。他们将囚禁离子制备为“网格态”,即量子计算中用于纠错的特殊量子态,通过测量离子的微小振动,实现位置和动量的联合测量,精度超过传统经典传感器的“标准量子极限”。
这是量子计算技术向传感技术的巧妙转化,让传感器在量子噪声干扰下也能捕捉微弱信号。团队表示,这种测量仍处于实验室阶段,但为未来量子传感技术提供了新框架,既可与现有方法互补,也可能催生全新的应用领域。正如原子钟曾彻底改变导航与电信,极端灵敏的量子增强传感器也可能开辟全新的产业。
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