加拿大利用量子糾纏開(kāi)發(fā)超精密測(cè)量技術(shù)

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      加拿大物理學(xué)家們首次利用量子力學(xué)克服了測(cè)量科學(xué)中的一個(gè)重大挑戰(zhàn)。新開(kāi)發(fā)的多探測(cè)器方法可測(cè)量出糾纏態(tài)的光子，實(shí)驗(yàn)裝置使用光纖帶收集光子并將其發(fā)送到由11個(gè)探測(cè)器組成的陣列。此項(xiàng)研究為使用量子糾纏態(tài)開(kāi)發(fā)下一代超精密測(cè)量技術(shù)鋪平了道路。

      研究報(bào)告主要作者之一、多倫多大學(xué)物理系量子光學(xué)研究小組博士生羅澤馬·李稱，新技術(shù)能利用光子以經(jīng)典物理學(xué)無(wú)法達(dá)到的精度進(jìn)行測(cè)量。此項(xiàng)研究成果在線發(fā)表在《物理評(píng)論快報(bào)》上。

      現(xiàn)存最靈敏的測(cè)量技術(shù)，從超精確原子鐘到世界上最大的望遠(yuǎn)鏡，均依賴于檢測(cè)波之間的干涉，這種干涉發(fā)生于兩個(gè)或更多個(gè)光束在相同空間的碰撞。羅澤馬及其同事使用的量子糾纏態(tài)包含N個(gè)光子，它們?cè)诟缮鎯x中均被保證采取同樣的路徑，即N個(gè)光子要么全部采取左手路徑，要么全部采用右手路徑。

      干涉效應(yīng)可用干涉儀進(jìn)行測(cè)量。干涉裝置的測(cè)量精度可通過(guò)發(fā)送更多的光子加以改善。當(dāng)使用經(jīng)典光束時(shí)，光子數(shù)目（光的強(qiáng)度）增加100倍，干涉儀的測(cè)量精度可提高10倍，但是，如果將光子預(yù)先設(shè)置在一個(gè)量子糾纏態(tài)，干涉儀在同等條件下的測(cè)量精度則同步增長(zhǎng)100倍。

      科學(xué)界雖已了解到測(cè)量精度可通過(guò)使用糾纏光子加以改善，但隨著糾纏光子數(shù)的上升，所有的光子同時(shí)到達(dá)相同檢測(cè)器的可能性微乎其微，因此該技術(shù)在實(shí)踐中幾無(wú)用處。羅澤馬及其同事于是開(kāi)發(fā)出一種使用多個(gè)探測(cè)器來(lái)測(cè)量糾纏態(tài)光子的新方法。他們?cè)O(shè)計(jì)了一種使用“光纖帶”的實(shí)驗(yàn)裝置，用以收集光子并將其發(fā)送到11個(gè)單光子探測(cè)器組成的陣列。

      這使研究人員能夠捕捉到幾乎所有最初發(fā)送的多光子。羅澤馬稱，同時(shí)將單光子以及兩個(gè)、三個(gè)和四個(gè)糾纏光子送入檢測(cè)設(shè)備，測(cè)量精度可得到顯著提高。

      研究人員表示，兩個(gè)光子好于一個(gè)光子，探測(cè)器陣列的效果則遠(yuǎn)遠(yuǎn)好于兩個(gè)。隨著技術(shù)的進(jìn)步，采用高效探測(cè)器陣列和按需糾纏的光子源，此項(xiàng)技術(shù)可被用于以更高精度測(cè)量更多的光子。《物理評(píng)論快報(bào)》的評(píng)論指出，該項(xiàng)技術(shù)為提高成像和光刻系統(tǒng)的精度提供了一種行之有效的新途徑。

      總編輯圈點(diǎn)

      光子糾纏態(tài)，早已經(jīng)不再拘束于當(dāng)初愛(ài)因斯坦等人提出的玄妙理論，而被應(yīng)用到如量子光刻、量子圖像學(xué)等技術(shù)領(lǐng)域。也正是這些應(yīng)用，讓抽象的量子力學(xué)概念能較為實(shí)在地體現(xiàn)在人們面前。本文中研究者以超越經(jīng)典物理學(xué)的精度測(cè)量出糾纏態(tài)光子，這種高分辨率的量子態(tài)測(cè)量，不僅能帶動(dòng)以上應(yīng)用領(lǐng)域的發(fā)展，亦將有助于實(shí)現(xiàn)相關(guān)物理參數(shù)的高精度。