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- 海森堡不確定性原理新應(yīng)用：可提升量子傳感器精度
- 來源：科學(xué)進(jìn)展 發(fā)表于 2025/10/10
近一個(gè)世紀(jì)以來，海森堡不確定性原理一直是量子物理學(xué)的核心理論之一：無法同時(shí)以絕對精度獲知粒子的位置和動(dòng)量。對其中一項(xiàng)的測量越精確，對另一項(xiàng)的了解就越模糊。
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在《科學(xué)進(jìn)展》（Science Advances）期刊發(fā)表的一項(xiàng)新研究中，我們的團(tuán)隊(duì)展示了如何繞過這一限制 —— 并非打破物理定律，而是重構(gòu)不確定性本身。
這一成果是測量科學(xué)領(lǐng)域的突破，或能推動(dòng)新一代原子尺度超高精度量子傳感器的發(fā)展。
轉(zhuǎn)移不確定性
不確定性原理明確指出，測量中總會(huì)存在最小限度的不確定性。但可以將其比作氣球里的空氣：空氣無法逸出，但你可以在氣球內(nèi)部自由移動(dòng)它。
同理，在測量位置和動(dòng)量時(shí)，不確定性的總量是固定的，但我們可以在兩者之間重新分配這種不確定性。
傳統(tǒng)上，這種權(quán)衡意味著必須做出選擇：要么精確測量位置，卻丟失動(dòng)量信息；要么反之。
我們的研究采用了不同思路：將不確定性轉(zhuǎn)移到無關(guān)緊要的感知范圍中。
為理解這一點(diǎn)，不妨再用一個(gè)比喻：想象一個(gè)只有一根指針的時(shí)鐘。若是時(shí)針，能精確知道小時(shí)，但只能大致判斷分鐘；若是分針，能精確讀取分鐘，卻無法確定小時(shí)。
我們將這一思路應(yīng)用于量子測量：重新分配不確定性，從而能在選定的參考點(diǎn)附近，同時(shí)追蹤位置和動(dòng)量的微小變化 —— 即便我們并不清楚該參考點(diǎn)本身的絕對位置。
借助這一方法，我們能同時(shí)檢測到位置和動(dòng)量的極微小變化，突破了所有經(jīng)典傳感器的極限。
用量子糾錯(cuò)碼提升量子傳感精度
我們是如何實(shí)現(xiàn)的？我們重新利用了原本用于保護(hù)量子計(jì)算機(jī)免受噪聲干擾的技術(shù)，以此提升測量設(shè)備的精度。這一思路最早在 2017 年的一項(xiàng)理論研究中被提出。
我們的實(shí)驗(yàn)借助了 “被困離子”—— 即通過電場和磁場固定并控制的單個(gè)帶電原子。
我們將離子制備成 “網(wǎng)格態(tài)”（一種最初為糾錯(cuò)量子計(jì)算開發(fā)的量子態(tài)），隨后將這些狀態(tài)用作傳感器來測量微弱信號，原理類似檢測量子計(jì)算機(jī)中的錯(cuò)誤。
量子計(jì)算與量子傳感的這種交叉融合，正是我們研究的核心思路。
實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，我們能測量到對應(yīng) 0.5 納米（約一個(gè)原子大小）的信號不確定性，還能測量極微弱的力 —— 單位為幺牛（yoctonewton），即 10 的 - 24 次方牛（萬億分之一的萬億分之一牛），相當(dāng)于測量約 30 個(gè)氧分子的重量。
這項(xiàng)研究為何重要？
能夠測量極微弱信號具有深遠(yuǎn)意義。看似反直覺的是，對微觀世界的測量，反而能幫助我們加深對宏觀世界的理解。
量子傳感器已助力引力波天文臺探測到黑洞碰撞等宇宙事件。我們的研究為更強(qiáng)大的傳感能力打開了大門，有望進(jìn)一步加深對天體物理對象的認(rèn)知。
目前，該實(shí)驗(yàn)仍處于物理實(shí)驗(yàn)室的研究范疇內(nèi)，并非明天就能在商店買到的設(shè)備。但我們有信心，這種實(shí)現(xiàn)高精度測量的新方法，將催生出一整代超高靈敏度量子傳感器。
期刊信息：《科學(xué)進(jìn)展》（Science Advances）
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