加拿大利用量子糾纏開發(fā)超精密測量技術

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      加拿大物理學家們首次利用量子力學克服了測量科學中的一個重大挑戰(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鋪平了道路。

      研究報告主要作者之一、多倫多大學物理系量子光學研究小組博士生羅澤馬·李稱，新技術能利用光子以經典物理學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。

      現存最靈敏的測量技術，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。當使用經典光束時，光子數目（光的強度）增加100倍，干涉儀的測量精度可提高10倍，但是，如果將光子預先設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)，早已經不再拘束于當初愛因斯坦等人提出的玄妙理論，而被應用到如量子光刻、量子圖像學等技術領域。也正是這些應用，讓抽象的量子力學概念能較為實在地體現在人們面前。本文中研究者以超越經典物理學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，不僅能帶動以上應用領域的發(fā)展，亦將有助于實現相關物理參數的高精度。