【物理世界】量子探测突破海森堡极限

发布: | 发布时间:2011-06-27,星期一 | 阅读:4,271
译者:永恒的贝多芬 · 原作者: Edwin Cartlidge

原文:Quantum probe beats Heisenberg limit

 

(上图)维尔纳-海森堡:不确定性之父

西班牙的一组物理学家目前对如何做到克服海森堡不确定性原理造成的限制而进行量子测量这一点进行了演示。研究者们证实了一个关于如何利用相互作用的光子,去测量原子的自旋来突破海森堡极限的理论预言。并且,他们宣称他们的方法可以用在对时空涟漪,即引力波更精细的探测或大脑成像上。

量子测量中精度的标准极限,源于与可计数离散粒子,而不是连续量相关的统计误差。例如,在测量沿着一台干涉仪两臂传播的波的相位差时,这个量的误差将会与测量的光子总数N的平方根成正比。因为信号强度正比于N,则信噪比也正比于N。或换句话说,测量的灵敏度,是在一定程度的噪音上可测得的最低的信号强度,它正比于N的1/2次方分之一。

然而,这个比例可以通过光子纠缠而得到提升,因为这使得那些来自单个粒子本该独立的噪声源变得互有关联。这样的纠缠允许测量接近所谓的海森堡极限,这意味着灵敏度正比于1/N。直到最近这个比例都被认为是量子测量灵敏度的绝对极限。

捕入陷阱2

然而,2007年新墨西哥大学一支由Carlton Caves领导的科学团队预言说,在被测粒子间引入非线性相互作用,这样就可以突破海森堡极限。巴塞罗那光子科学研究所的Morgan Mitchell和他的同事进行的实验证实了这个预言。Mitchell的团队将激光脉冲射入一块束缚于光阱中的超冷铷原子样本,并测量了原子的自旋角动量如何致使光子的偏振轴发生旋转。

在一个线性测量中,每一个光子可以单独地与原子进行相互作用,这样得到的是一个相对较弱的信号。但研究者们进行的是非线性测量,他们将激光脉冲的强度增加到足够大,使得每一个光子不但可以记录一个原子的磁性态,而且还可以改变那个原子的电子结构。光子就这样轮流地将它的偏振标记留给下一个光子,因而增强了信号。团队的成员之一Mario Napolitano解释道:“这样我们就得到了一个不仅仅依赖于靶物质,而且还依赖于我们发射的信号物质的信号。”

按照Napolitano的说法,我们并不清楚实际中的一个信号将会以这种方式得到加强,因为跟据计算,非线性增加的不仅是信号,而且还有噪音。但这支团队能够将原子与光子间的相互作用集中到一块非常小的空间,以及精确地调节激光的频率使之与原子的电子结构相一致,而相应地使非线性程度达到合适值。然后,利用干涉仪测量光子偏振的旋转,再测量噪音强度及光子数,随后再改变光子数重复实验,这时研究者就能够说明正比于光子数的灵敏度会比海森堡极限限定的高。实际上,他们达到的灵敏度正比于N的3/2次方分之一。

时钟及大脑将从中获益

Napolitano喜欢指出说这个结果并不意味着海森堡不确定性原理不对,反倒是说明了我们并没有正确地懂得如何在多粒子体系里运用这条原理。他还相信这项工作最终会有重大的实际应用,比如改进原子钟——只要是那些设备依靠干涉仪的话。而且,许多研究团队正研究着利用光来探测靠近大脑的原子的磁性质,从而来测量大脑的电学性质变化的可能。而最新的工作将增强这项技术。

Jonathan Dowling是美国路易斯安那州立大学的理论物理学家。他说,最新的工作还将有助于探测引力波。研究者们希望通过测量激光束在干涉仪的两条垂直管道中传播时所经历的路程差,从而记录引力波的时空分布。Dowling说,如果美国激光干涉引力波天文台的探测器能够以正比于N的3/2次方分之一,而不是N的1/2次方分之一的灵敏度运作的话,那么,要么它的灵敏度将得到很高提升,要么它可以在很大程度上降低它的激光功率,后者可以避免光学仪器可能的发热及变形。“这就为非线性干涉法测量开创了一个新局面。”他补充道。

然而,加拿大卡尔加里大学的一名量子物理学家,Barry Sanders发出了警告。“这个实验展示了海森堡极限在现实世界是可以突破的,”他说,“但在接下来的一段时间里,要想将它进行实际应用还不太可能,因为一些技术难关还有待解决,尤其是噪音问题。我们依旧在探索使用量子方法进行精确测量的基本物理机制。”

这项研究已发表在《自然》杂志上。

关于作者:Edwin Cartlidge是一位寓居罗马的科学作家。

 



 

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