Kvantenegativitet kan give ultrapræcise målinger

Forskere har fundet ud af, at en fysisk egenskab kaldet 'kvantenegativitet' kan bruges til at tage mere præcise målinger af alt fra molekylære afstande til gravitationsbølger.

Forskerne, fra University of Cambridge, Harvard og MIT, har vist, at kvantepartikler kan bære en ubegrænset mængde information om ting, de har interageret med. Resultaterne, rapporteret i journalen Naturkommunikation , kunne muliggøre langt mere præcise målinger og drive nye teknologier, såsom superpræcise mikroskoper og kvantecomputere.

Metrologi er videnskaben om estimeringer og målinger. Hvis du vejede dig i morges, du har lavet metrologi. På samme måde som kvanteberegning forventes at revolutionere måden komplicerede beregninger udføres på, kvantemetrologi, ved at bruge subatomære partiklers mærkelige opførsel, kan revolutionere den måde, vi måler ting på.

Vi er vant til at håndtere sandsynligheder, der spænder fra 0% (skeder aldrig) til 100% (skeder altid). For at forklare resultater fra kvanteverdenen, begrebet sandsynlighed skal udvides til at omfatte en såkaldt kvasi-sandsynlighed, hvilket kan være negativt. Denne kvasi-sandsynlighed gør det muligt at forklare kvantebegreber som Einsteins 'uhyggelige handling på afstand' og bølge-partikel-dualitet i et intuitivt matematisk sprog. For eksempel, sandsynligheden for, at et atom befinder sig i en bestemt position og bevæger sig med en bestemt hastighed, kan være et negativt tal, såsom -5%.

Et eksperiment, hvis forklaring kræver negative sandsynligheder, siges at have 'kvantenegativitet'. Forskerne har nu vist, at denne kvantenegativitet kan hjælpe med at tage mere præcise målinger.

Al metrologi har brug for sonder, som kan være simple vægte eller termometre. Inden for avanceret metrologi, proberne er kvantepartikler, som kan styres på subatomært niveau. Disse kvantepartikler er lavet til at interagere med den ting, der måles. Derefter analyseres partiklerne af en detektionsanordning.

I teorien, jo større antal sonderende partikler er der, jo flere oplysninger vil være tilgængelige for detektionsenheden. Men i praksis der er et loft over den hastighed, hvormed detektionsenheder kan analysere partikler. Det samme gælder i hverdagen:At tage solbriller på kan filtrere overskydende lys og forbedre synet. Men der er en grænse for, hvor meget filtrering, der kan forbedre vores syn - det er skadeligt at have solbriller, der er for mørke.

"Vi har tilpasset værktøjer fra standard informationsteori til kvasi-sandsynligheder og vist, at filtrering af kvantepartikler kan kondensere informationen fra en million partikler til én, " sagde hovedforfatter Dr. David Arvidsson-Shukur fra Cambridges Cavendish Laboratory og Sarah Woodhead Fellow ved Girton College. "Det betyder, at detektionsenheder kan fungere med deres ideelle tilstrømningshastighed, mens de modtager information svarende til meget højere hastigheder. Dette er forbudt ifølge normal sandsynlighedsteori, men kvantenegativitet gør det muligt."

En eksperimentel gruppe ved University of Toronto er allerede begyndt at bygge teknologi til at bruge disse nye teoretiske resultater. Deres mål er at skabe en kvanteenhed, der bruger enkelt-foton laserlys til at give utrolig præcise målinger af optiske komponenter. Sådanne målinger er afgørende for at skabe avancerede nye teknologier, såsom fotoniske kvantecomputere.

"Vores opdagelse åbner for spændende nye måder at bruge fundamentale kvantefænomener i virkelige applikationer, " sagde Arvidsson-Shukur.

Kvantemetrologi kan forbedre målinger af ting, herunder afstande, vinkler, temperaturer og magnetiske felter. Disse mere præcise målinger kan føre til bedre og hurtigere teknologier, men også bedre ressourcer til at undersøge grundlæggende fysik og forbedre vores forståelse af universet. For eksempel, mange teknologier er afhængige af den præcise justering af komponenter eller evnen til at fornemme små ændringer i elektriske eller magnetiske felter. Højere præcision ved justering af spejle kan give mulighed for mere præcise mikroskoper eller teleskoper, og bedre måder at måle jordens magnetfelt på kan føre til bedre navigationsværktøjer.

Kvantemetrologi bruges i øjeblikket til at forbedre præcisionen af ​​gravitationsbølgedetektion i det nobelprisvindende LIGO Hanford Observatory. Men for de fleste applikationer, kvantemetrologi har været alt for dyrt og uopnåeligt med den nuværende teknologi. De nyligt offentliggjorte resultater tilbyder en billigere måde at udføre kvantemetrologi på.

"Forskere siger ofte, at 'der er ikke sådan noget som en gratis frokost', betyder, at du ikke kan vinde noget, hvis du ikke er villig til at betale beregningsprisen, " sagde medforfatter Aleksander Lasek, en ph.d. kandidat ved Cavendish Laboratory. "Imidlertid, i kvantemetrologi kan denne pris gøres vilkårligt lav. Det er meget kontraintuitivt, og virkelig fantastisk!"

Dr. Nicole Yunger Halpern, medforfatter og ITAMP Postdoctoral Fellow ved Harvard University, sagde:"Hverdags multiplikation pendler:Seks gange syv er lig syv gange seks. Kvanteteori involverer multiplikation, der ikke pendler. Manglen på pendling lader os forbedre metrologi ved hjælp af kvantefysik.

"Kvantefysik forbedrer metrologi, beregning, kryptografi, og mere; men det er svært at bevise, at det gør det. Vi viste, at kvantefysik sætter os i stand til at udtrække mere information fra eksperimenter, end vi kunne med kun klassisk fysik. Nøglen til beviset er en kvanteversion af sandsynligheder - matematiske objekter, der ligner sandsynligheder, men kan antage negative og ikke-reelle værdier."