加拿大利用量子糾纏開發(fā)超精密測量技術(shù)

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

      研究報告主要作者之一、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)無法達到的精度進行測量。此項研究成果在線發(fā)表在《物理評論快報》上。

      現(xiàn)存最靈敏的測量技術(shù)，從超精確原子鐘到世界上最大的望遠鏡，均依賴于檢測波之間的干涉，這種干涉發(fā)生于兩個或更多個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個光子，它們在干涉儀中均被保證采取同樣的路徑，即N個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)可用干涉儀進行測量。干涉裝置的測量精度可通過發(fā)送更多的光子加以改善。當使用經(jīng)典光束時，光子數(shù)目（光的強度）增加100倍，干涉儀的測量精度可提高10倍，但是，如果將光子預(yù)先設(shè)置在一個量子糾纏態(tài)，干涉儀在同等條件下的測量精度則同步增長100倍。

      科學(xué)界雖已了解到測量精度可通過使用糾纏光子加以改善，但隨著糾纏光子數(shù)的上升，所有的光子同時到達相同檢測器的可能性微乎其微，因此該技術(shù)在實踐中幾無用處。羅澤馬及其同事于是開發(fā)出一種使用多個探測器來測量糾纏態(tài)光子的新方法。他們設(shè)計了一種使用“光纖帶”的實驗裝置，用以收集光子并將其發(fā)送到11個單光子探測器組成的陣列。

      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，同時將單光子以及兩個、三個和四個糾纏光子送入檢測設(shè)備，測量精度可得到顯著提高。

      研究人員表示，兩個光子好于一個光子，探測器陣列的效果則遠遠好于兩個。隨著技術(shù)的進步，采用高效探測器陣列和按需糾纏的光子源，此項技術(shù)可被用于以更高精度測量更多的光子?！段锢碓u論快報》的評論指出，該項技術(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

      光子糾纏態(tài)，早已經(jīng)不再拘束于當初愛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)的精度測量出糾纏態(tài)光子，這種高分辨率的量子態(tài)測量，不僅能帶動以上應(yīng)用領(lǐng)域的發(fā)展，亦將有助于實現(xiàn)相關(guān)物理參數(shù)的高精度。