超越海森伯极限的量子精密测量

作者: 陈耕、李传锋

来源: 中国物理学会期刊网

发布日期: 2023-06-29 08:01:51

文章讨论了量子精密测量在提升测量精度方面的重要性,特别是在引力波探测中的应用。文章还探讨了量子不定因果序作为一种新的量子结构,在精密测量中可能提供的超海森伯极限的测量精度。此外,文章提到了关于海森伯极限是否是量子力学最终极限的争议,以及量子不定因果序方法在实际测量中的优势。

不断提升测量精度是科学研究发展的一个源动力。科学技术发展到今天,很多里程碑式的进步都得益于测量精度的提升。一个众所周知的例子是2016年引力波的成功探测,验证了爱因斯坦广义引力论的预言。然而从激光干涉引力波天文台(LIGO)建成到第一次探测到引力波整整花了17年时间,这是科学家们不断改进装置以提升探测精度的结果。

最近科学家们在引力波探测中使用了量子压缩的光源,进一步提升了探测精度,使得现在几乎每周都可以观测到引力波。

用新的原理方法、技术手段提高测量精度,本身就是自然科学研究的一个重要方向,我们称之为精密测量研究。科学界一般使用测量的不确定度Δ随所使用的测量资源N的下降速率来刻画一个测量系统的测量能力。经典方法能达到的极限是Δ随N的0.5次方成反比下降,也就是我们所称的标准量子极限。需要注意的是,虽然名字中带有“量子”,但是这个下降速率是经典方法能达到的极限。

量子精密测量是最近十年来在量子信息研究中一个蓬勃发展的领域,旨在利用量子方法和资源实现突破标准量子极限的测量精度。如前所述,引力波探测装置使用量子压缩光之后可以实现超过标准量子极限的测量精度,这充分证明了量子精密测量的可行性和重要性。那么一个对于量子力学本身的理解和实际测量精度都很重要的问题是:量子精密测量可以提供的精度极限在哪里?

实际上对于这个问题,海森伯在1927年就给出了很好的答案,也就是海森伯不确定原理。

近些年来,一种新的量子结构,即量子不定因果序引起了学术界极大的研究兴趣。量子力学显然允许一个粒子处于不同状态的量子叠加,比如光子可以处于不同偏振叠加态,原子可以处于不同能级的叠加态。事实上,量子力学还允许两个演化不同的时序之间的量子叠加,这点显然不同于经典世界的因果关系。在经典世界里,如果两个事情A和B之间存在关联,那么它们之间孰因孰果是确定的。

一个无法避免的情况是,关于海森伯极限是否是量子力学的最终极限的争议会一直持续下去,这主要是由学术界对测量资源定义的不统一所导致的。用量子不定因果序可以实现超海森伯极限的测量精度也必然会引起学术界的广泛讨论和争议。但是如果我们搁置这些争议,从一个更加现实的角度去考量这种新方法,它确实达到了比之前任何确定因果方法都要更好的测量精度,这种优势独立于海森伯极限该如何定义这样一个深刻的问题。

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