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永远测不准的量子,推动测量精度走向极限


  来源: 科技日报 时间:2021-02-19 编辑:清风
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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。


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。


关键词:量子 测量 测量仪器    浏览量:560

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