-永远测不准的量子 推动测量精度走向极限
来源:科技日报
作者:吴长锋
发布时间:2021-02-04
浏览次数:710
-永远测不准的量子 推动测量精度走向极限
视觉中国供图

  在经典力学里,物体的状态可以被精确测量,并且观察和测量对观察对象的干扰可以忽略不计,但在微观世界,干扰是无论如何都不能忽略的。对量子进行测量,就会发现测量的结果完全随机,得到的结果永远不同。

量子科技系列报道②

◎本报记者 吴长锋

  在量子物理学中,某些东西从严格意义上说是不可知的。例如,你永远不可能同时知道电子的位置和动量,在硬币落下之前,你也不知道哪个面会朝上。在测量之前,电子的位置、动量等状态,是各种可能状态的叠加;在硬币落地静止之前,它的状态是“正面朝上”和“背面朝上”两种状态的叠加,仅当测量时,它才会选择一种确定的状态呈现出来。

  在测量的过程中瞬间发生随机突变,是量子力学中一大神奇之处,这也意味着,测量在量子力学中的重要性,比在经典力学中重要得多。

  世界上最精密的测量仪器当属激光干涉仪引力波天文台(LIGO),人类利用它首次观测到了引力波事件,代表了人类当前最高的测量水平。为了进一步提高测量精度,科学家们不约而同地把目光聚向基于量子力学的量子精密测量技术。这是一种怎样的技术呢?

  经典测量—— 你测或者不测,我都不增不减

  新冠疫情出现后,一个人体指标受到前所未有的关注,那就是体温,对于人体温度的测量就是一种物理量测量。

  没有测量就没有科学。现代科学是在“假设—检验—模型—理论”的循环过程中建立和发展起来的。把测量精度提高一个数量级往往会导致新的物理发现。物理量单位的定义、测量值的精度、物理常数的大小及制约关系是否成立,成为了检验物理定律的关键。

  在经典力学里,物体的状态可以被精确测量,并且观察和测量对观察对象的干扰可以忽略不计,但在微观世界,干扰是无论如何都不能忽略的。

  实际上,对任何物理量的测量都会伴随着噪声,这会干扰我们对系统的精确控制。通常认为,经典噪声主要来源于技术缺陷、仪器不理想等因素,随着科学技术的发展,系统的经典噪声大大降低,常常可以忽略不计。

  根据数学上的中心极限定理,重复N次(N远大于1)独立的测量,其测量的结果满足正态分布,而其测量的误差就可以达到单次测量的1/公式。因此,测量精度也就提高到单次测量的公式倍。这也就是经典力学框架下的测量极限——散粒噪声极限。

  经典测量所能达到的最小噪声即散粒噪声, 对应着测量的标准量子极限。1927年,海森堡提出了量子力学中著名的测不准原理,他认为,粒子的位置与动量不可同时被确定,位置测定得越准确,动量的测定就越不准确,反之亦然。

  海森堡不确定性原理似乎是遮掩这些可观测量真实数值的一层模糊的面纱。其实,这是表示这些变量只能定义到海森堡极限所允许的精度。量子噪声与经典噪声的区别,在于如热噪声、散粒噪声等都与温度相关——温度越低,噪声越低。当温度达到绝对零度时,经典噪声将完全消失。但是,你却无法消除量子噪声——因为根据量子力学原理,空间中总是充满着波动的能量,整个宇宙中都活跃着量子噪声。

  量子测量—— 既不是1也不是2,既是1又是2

  量子理论在揭示和应用微观世界规律方面取得了巨大成功,这也被称为第一次量子革命,由此衍生的诸多重大发明,主要是建立在对量子规律宏观体现的应用层面。

  随着科学家们对量子叠加和量子纠缠等特性进行深入研究,人类已经能够直接对单个量子客体(光子、原子、分子、电子等)的状态进行主动制备、精确操纵和测量,从而能够以一种全新的“自下而上”的方式来利用量子规律认识和改造世界。量子调控和量子信息技术的迅猛发展标志着第二次量子革命的兴起。

  我们要认识和了解量子,就必须知道量子物理状态,比如它是如何运动的,能量有多大等。如果对量子进行测量,就会发现测量的结果是完全随机的。这是因为,量子有着许多不同于宏观物理世界的奇妙现象和特性,比如量子叠加。

  “在我们生活的宏观世界里,量子叠加现象是无法存在也无法维持的。在宏观的经典世界

  里,1就是1,2就是2。而在微观的量子世界中,一个状态可以存在于1和2之间,它既不是1,也不是2,但它既是1,又是2。”中国科学技术大学上海研究院副研究员张文卓说。

  “这就好比孙悟空的分身术。一个孙悟空可以同时出现在多个地方,孙悟空的各个分身就像是它的叠加态。”中科院院士、中国科学技术大学教授潘建伟解释道,“在日常生活中,一个人不可能同时出现在两个地方。但在量子世界里,作为一个微观的客体,它能够同时出现在许多地方。”

  宏观经典世界遵照的是经典力学规律,而在量子世界中,遵照的则是量子力学规律。在量子力学里,光子(量子的一种)可以朝着某个方向进行振动,叫做偏振。因为量子叠加,一个光子可以同时处在水平偏振和垂直偏振两个量子状态的叠加态。科学实验证明,因为量子叠加效应的存在,一经测量就会破坏或改变量子的状态。因此,如果拿一个仪器对量子进行测量,就会发现测量的结果完全随机,对于相同状态,无论观察得多仔细,得到的结果永远不同。

  三把“尺子”—— 量子特性让测量精度不断提高

  由于量子力学测不准原理的限制,测量精度不可能无限制地提高,这个最终的极限被称为海森堡极限。

  但是,人们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”; 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。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,可以实现突破经典散粒噪声极限限制的高精度测量,这就相当于找到了一把高灵敏度的量子“尺子”。

  按照对量子特性的应用,量子测量也有了三把“尺子”,第一把“尺子”是基于微观粒子能级测量;第二把“尺子”是基于量子相干性测量;第三把“尺子”是基于量子纠缠进行测量。

  第一把“尺子”从上世纪50年代就逐步在原子钟等领域开始应用。根据玻尔的原子理论,原子从一个“能量态”跃迁至低的“能量态”时便会释放电磁波。这种电磁波特征频率是不连续的,这也就是人们所说的共振频率。

  1967年,国际计量大会依据铯原子的振动而对秒做出了重新定义,即铯133原子基态的两个超精细能阶间跃迁对应辐射的9192631770个周期的持续时间。这是量子理论在测量问题上的第一个重大贡献。

  量子测量第二把“尺子”是基于量子相干性的测量技术,利用量子的物质波特性,通过干涉法进行外部物理量的测量。现在已经广泛应用于陀螺仪、重力仪、重力梯度仪等领域。例如,冷原子干涉量子陀螺仪由于其超高精度和超高分辨率的优异特性,可以应用于高灵敏导航系统等。

  量子测量的最后一把“尺子”——基于量子纠缠的测量技术。理论上,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”的1/N。该精度突破了经典力学的散粒噪声极限,是量子力学理论范畴内所能达到的最高精度——海森堡极限。

  2018年,中国科大郭光灿院士领导的研究组首次在国际上逼近了最优海森堡极限。而就在2021年1月,郭光灿院士领导的研究组同时实现了三个参数达到海森堡极限精度的测量。目前,科学家们已经在光子、离子阱和超导等物理系统中实现了对相位测量等物理量测量的实验演示,突破了经典测量极限,逼近或达到海森堡极限。



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