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“量子负能量”可以为超精确测量提供能量

科学家们发现,称为“量子消极”的物理性质可以用来精确测量的从分子距离引力波。

来自剑桥大学、哈佛大学和麻省理工学院的研究人员已经证明,量子粒子可以携带关于它们与之交互的事物的无限信息。发表在《自然通讯》(Nature Communications)杂志上的研究结果,可能会使测量更加精确,并为超精密显微镜和量子计算机等新技术提供动力。

计量学是一门估计和测量的科学。如果你今天早上称过体重,那你已经做过计量了。正如量子计算有望彻底改变复杂计算的完成方式一样,量子计量学,利用亚原子粒子的奇怪行为,可能彻底改变我们测量事物的方式。

我们习惯于处理从0%(从不发生)到100%(总是发生)的概率。然而,要解释来自量子世界的结果,概率的概念需要扩展,包括所谓的准概率,它可以是负的。这种准概率使得量子概念,如爱因斯坦的“远距离幽灵作用”和波粒二象性,可以用直观的数学语言来解释。例如,原子处于某一位置并以特定速度运动的概率可能是负数,例如-5%。

用负概率来解释的实验被称为具有“量子负性”。科学家们现在已经证明,这种量子负能量可以帮助进行更精确的测量。

所有的计量都需要探针,探针可以是简单的天平或温度计。然而,在最先进的计量学中,探针是量子粒子,它可以在亚原子水平上被控制。这些量子粒子是用来与被测物体相互作用的。然后用检测装置对粒子进行分析。

理论上,探测粒子越多,探测设备就能获得越多的信息。但在实践中,检测设备分析粒子的速度是有上限的。在日常生活中也是如此:戴上太阳镜可以滤掉多余的光线,改善视力。但是过滤对改善我们视力的作用是有限的——戴太暗的太阳镜是有害的。

来自剑桥大学卡文迪什实验室的首席作者David Arvidsson-Shukur博士和格顿学院的Sarah Woodhead研究员说:“我们已经将标准信息论的工具应用到准概率中,并证明过滤量子粒子可以将一百万个粒子的信息浓缩成一个。”这意味着探测设备可以在理想的流入率下工作,同时接收到相应的更高的流入率的信息。根据正常的概率论,这是禁止的,但量子负性使它成为可能。”

多伦多大学的一个实验小组已经开始建立使用这些新理论结果的技术。他们的目标是创造一种量子设备,利用单光子激光对光学元件进行难以置信的精确测量。这样的测量对于创造先进的新技术是至关重要的,比如光子量子计算机。

Arvidsson-Shukur说:“我们的发现开启了在现实应用中使用基本量子现象的令人兴奋的新方法。”

量子计量学可以提高对距离、角度、温度和磁场等事物的测量。这些更精确的测量可以带来更好更快的技术,也可以提供更好的资源来探测基础物理,提高我们对宇宙的理解。例如,许多技术依赖于组件的精确排列,或感应电场或磁场微小变化的能力。校准镜子的更高精度可以使用更精确的显微镜或望远镜,更好的测量地球磁场的方法可以产生更好的导航工具。

“科学家们经常说‘没有免费的午餐’,意思是如果你不愿意为计算付出代价,你就不能得到任何东西,”合著者Aleksander Lasek说,他是卡文迪许实验室的博士候选人。然而,在量子计量学中,这个价格可以降到任意低。这是非常违反直觉的,而且真的很神奇!”

研究报告的合著者、哈佛大学ITAMP博士后尼科尔·云格尔·哈尔彭博士说:“每天乘乘通勤时间:6乘7等于7乘6。量子理论涉及到不能交换的乘法。缺少对易使得我们可以用量子物理来改进计量学。

量子物理学提高了计量学、计算学、密码学等;但严格地证明这一点是困难的。我们证明了量子物理使我们能够从实验中提取出比经典物理更多的信息。证明的关键是概率的量子版本——类似于概率但可以假设为负数和非实数的数学对象。”

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