量子传感刷新测量技术极限
出品:科普中国
制作:中国科学技术大学郭光灿 中国科普博览
监制:中国科学院计算机网络信息中心

  人类社会的发展进程从某种意义上就是测量技术不断进步的过程。测量技术的核心就是追求更高的精度。一般情况下可以通过两种方式来提高测量精度。第一种是制备和利用分辨率更高的尺子。例如从早期的用手或者脚等的长度作为尺子,到目前人们通常使用的游标卡尺甚至是激光尺子等,人类对空间尺度的测量精度得到了大大的提高;第二种方式是通过多次重复测量减少测量误差,提高测量精度。例如重复N次独立的测量,其精度就可以达到单次测量的,也就是我们经常说的经典力学框架下的测量极限——散粒噪声极限。 

量子传感(图片来源于网络) 

  近年来,人们发现利用量子力学的基本属性,例如量子相干,量子纠缠,量子统计等特性,可以实现更高精度的测量。因此,基于量子力学特性实现对物理量进行高精度的测量称为量子传感。在量子传感中,电磁场、温度、压力等外界环境直接与电子、光子、声子等体系发生相互作用并改变它们的量子状态,最终通过对这些变化后的量子态进行检测实现外界环境的高灵敏度测量。而利用当前成熟的量子态操控技术,可以进一步提高测量的灵敏度。因此,这些电子、光子、声子等量子体系就是一把高灵敏度的量子尺子”——量子传感器。 

(图片来源于网络) 

  更重要的是,量子纠缠还可以进一步提高测量灵敏度。如果让N个量子尺子的量子态处于一种纠缠态上,外界环境对这N个量子尺子的作用将相干叠加,使得最终的测量精度达到单个量子尺子1/N。该精度突破了经典力学的散粒噪声极限,并提高了倍数,是量子力学理论范畴内所能达到的最高精度——海森堡极限。 

  作为新兴的研究领域,量子传感是量子信息技术的重要组成部分。量子传感除了可以突破经典力学极限的超高测量精度之外,还可以抵抗一些特定噪声的干扰。当前,利用电子、光子、声子等量子体系已经可以实现对电磁场、温度、压力、惯性等物理量的高精度量子传感,实验演示了量子超分辨显微镜、量子磁力计、量子陀螺等,并应用在材料、生物等相关学科研究中。随着相关技术的逐渐成熟,量子传感将在国计民生方面得到广泛应用。 

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