量子十問之九:量子傳感刷新測量技術極限

2018-10-19

人類社會的發展進程從某種意義上就是測量技術不斷進步的過程。測量技術的核心就是追求更高的精度。一般情況下可以通過兩種方式來提高測量精度。第一種是制備和利用分辨率更高的尺子。例如從早期的用手或者腳等的長度作為尺子,到目前人們通常使用的游標卡尺甚至是激光尺子等,人類對空間尺度的測量精度得到了大大的提高;第二種方式是通過多次重復測量減少測量誤差,提高測量精度。例如重復N次獨立的測量,其精度就可以達到單次測量的,也就是我們經常說的經典力學框架下的測量極限——散粒噪聲極限。


量子傳感(圖片來源于網絡)

近年來,人們發現利用量子力學的基本屬性,例如量子相干,量子糾纏,量子統計等特性,可以實現更高精度的測量。因此,基于量子力學特性實現對物理量進行高精度的測量稱為量子傳感。在量子傳感中,電磁場、溫度、壓力等外界環境直接與電子、光子、聲子等體系發生相互作用并改變它們的量子狀態,最終通過對這些變化后的量子態進行檢測實現外界環境的高靈敏度測量。而利用當前成熟的量子態操控技術,可以進一步提高測量的靈敏度。因此,這些電子、光子、聲子等量子體系就是一把高靈敏度的量子尺子”——量子傳感器。

(圖片來源于網絡)

更重要的是,量子糾纏還可以進一步提高測量靈敏度。如果讓N個量子尺子的量子態處于一種糾纏態上,外界環境對這N個量子尺子的作用將相干疊加,使得最終的測量精度達到單個量子尺子1/N。該精度突破了經典力學的散粒噪聲極限,并提高了倍數,是量子力學理論范疇內所能達到的最高精度——海森堡極限。

作為新興的研究領域,量子傳感是量子信息技術的重要組成部分。量子傳感除了可以突破經典力學極限的超高測量精度之外,還可以抵抗一些特定噪聲的干擾。當前,利用電子、光子、聲子等量子體系已經可以實現對電磁場、溫度、壓力、慣性等物理量的高精度量子傳感,實驗演示了量子超分辨顯微鏡、量子磁力計、量子陀螺等,并應用在材料、生物等相關學科研究中。隨著相關技術的逐漸成熟,量子傳感將在國計民生方面得到廣泛應用。


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