《電子技術(shù)應(yīng)用》
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量子傳感器:一把高靈敏度的“尺子”

2017-04-04
關(guān)鍵詞: 測量 量子 傳感 散粒噪聲

人類社會的發(fā)展進程從某種意義上就是測量技術(shù)不斷進步的過程。測量技術(shù)的核心就是追求更高的精度。一般情況下可以通過兩種方式來提高測量精度。第一種是制備和利用分辨率更高的“尺子”。例如從早期的用手或者腳等的長度作為尺子,到目前人們通常使用的游標(biāo)卡尺甚至是激光尺子等,人類對空間尺度的測量精度得到了大大的提高;第二種方式是通過多次重復(fù)測量減少測量誤差,提高測量精度。例如重復(fù)N次獨立的測量,其精度就可以達到單次測量的,也就是我們經(jīng)常說的經(jīng)典力學(xué)框架下的測量極限——散粒噪聲極限。

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量子傳感(圖片來源于網(wǎng)絡(luò))

近年來,人們發(fā)現(xiàn)利用量子力學(xué)的基本屬性,例如量子相干,量子糾纏,量子統(tǒng)計等特性,可以實現(xiàn)更高精度的測量。因此,基于量子力學(xué)特性實現(xiàn)對物理量進行高精度的測量稱為量子傳感。在量子傳感中,電磁場、溫度、壓力等外界環(huán)境直接與電子、光子、聲子等體系發(fā)生相互作用并改變它們的量子狀態(tài),最終通過對這些變化后的量子態(tài)進行檢測實現(xiàn)外界環(huán)境的高靈敏度測量。而利用當(dāng)前成熟的量子態(tài)操控技術(shù),可以進一步提高測量的靈敏度。因此,這些電子、光子、聲子等量子體系就是一把高靈敏度的量子“尺子”——量子傳感器。

量子傳感器:一把高靈敏度的“尺子”

(圖片來源于網(wǎng)絡(luò))

更重要的是,量子糾纏還可以進一步提高測量靈敏度。如果讓N個量子“尺子”的量子態(tài)處于一種糾纏態(tài)上,外界環(huán)境對這N個量子“尺子”的作用將相干疊加,使得最終的測量精度達到單個量子“尺子”的1/N。該精度突破了經(jīng)典力學(xué)的散粒噪聲極限,并提高了倍數(shù),是量子力學(xué)理論范疇內(nèi)所能達到的最高精度——海森堡極限。

作為新興的研究領(lǐng)域,量子傳感是量子信息技術(shù)的重要組成部分。量子傳感除了可以突破經(jīng)典力學(xué)極限的超高測量精度之外,還可以抵抗一些特定噪聲的干擾。當(dāng)前,利用電子、光子、聲子等量子體系已經(jīng)可以實現(xiàn)對電磁場、溫度、壓力、慣性等物理量的高精度量子傳感,實驗演示了量子超分辨顯微鏡、量子磁力計、量子陀螺等,并應(yīng)用在材料、生物等相關(guān)學(xué)科研究中。隨著相關(guān)技術(shù)的逐漸成熟,量子傳感將在國計民生方面得到廣泛應(yīng)用。


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