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量子传感器:一把高灵活度的“尺子”

2020-01-18 08:47      点击:

(图片来源于网络)

人类社会的开展进程从某种意义上就是丈量技术一直提高的过程。丈量技术的核心就是追求更高的精度。一般状况下可以通过两种方式来进步丈量精度。第一种是制备和操作分辨率更高的“尺子”。例如从早期的用手或者脚等的长度作为尺子,到目前人们通常使用的游标卡尺以至是激光尺子等,人类对空间尺度的丈量精度得到了大大的进步;第二种方式是通过屡次反复丈量减少丈量误差,进步丈量精度。例如反复N次独立的丈量,其精度就可以到达单次丈量的,也就是我们经常说的典范力学框架下的丈量极限——散粒噪声极限。

量子传感器:一把高灵活度的“尺子”

量子传感(图片来源于网络)

作为新兴的钻研领域,量子传感是量子信息技术的重要组成局部。量子传感除了可以冲破典范力学极限的超高丈量精度之外,还可以抵制一些特定噪声的干扰。当前,操作电子、光子、声子等量子体系已经可以实现对电磁场、温度、压力、惯性等物理量的高精度量子传感,尝试演示了量子超分辨显微镜、量子磁力计、量子陀螺等,并应用在资料、生物等相关学科钻研中。随着相关技术的逐渐成熟,量子传感将在国计民生方面得到宽泛应用。

更重要的是,量子纠缠还可以进一步进步丈量灵活度。假如让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,使得最终的丈量精度到达单个量子“尺子”的1/N。该精度冲破了典范力学的散粒噪声极限,并进步了倍数,是量子力学实践范畴内所能到达的最高精度——海森堡极限。

量子传感器:一把高灵活度的“尺子”

近年来,人们发现操作量子力学的根本属性,例如量子相干,量子纠缠,量子统计等特性,可以实现更高精度的丈量。因而,基于量子力学特性实现对物理量停止高精度的丈量称为量子传感。在量子传感中,电磁场、温度、压力等外界环境间接与电子、光子、声子等体系发生互相作用并扭转它们的量子状态,最终通过对这些变革后的量子态停止检测实现外界环境的高灵活度丈量。而操作当前成熟的量子态操控技术,可以进一步进步丈量的灵活度。因而,这些电子、光子、声子等量子体系就是一把高灵活度的量子“尺子”——量子传感器。