用于精确测量微小量子物体的新技术

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由澳大利亚国立大学 (ANU) 的一个科学家团队领导的一项新研究概述了一种利用量子计算机更精确地测量微观物体的方法——这一步骤可能对包括生物医学传感在内的各种下一代技术非常有用。

考察像汽车这样的大型日常物体的各种属性相当简单：汽车具有明确的位置、颜色和速度。然而，当试图考察像光子这样的微观量子物体——微小的光粒子——时，情况就变得复杂得多。

这是因为量子物体的某些属性是相互关联的，测量其中一个属性可能会干扰另一个属性。例如，测量电子的位置会影响它的速度，反之亦然。

这类性质被称为共轭性质。这是海森堡著名的不确定性原理的直接体现——不可能同时以任意精度测量量子物体的两个共轭性质。

据论文第一作者、澳大利亚国立大学博士研究生洛尔坎·康隆 (Lorcán Conlon) 称，这是量子力学面临的决定性挑战之一。

康伦说：“我们设计了一种测量方法，可以更精确地确定量子物体的共轭性质。值得注意的是，我们的合作者已经在世界各地的多个实验室中实施了这种测量方法。”

“更多的 精确测量 至关重要，反过来又能为各种技术开辟新的可能性，包括生物医学传感、激光测距和量子通信。

这项新技术的核心在于量子系统的一个奇特特性，即纠缠。研究人员表示，通过将两个相同的量子系统纠缠在一起，可以实现这种技术。 量子物体 通过同时测量它们，科学家可以比单独测量它们更精确地确定它们的特性。

“通过纠缠两个相同的量子系统，我们可以获得更多信息，”共同作者赛义德·阿萨德博士说。“测量量子系统的任何属性都不可避免地会引入一些噪声。通过纠缠这两个系统，我们能够降低这种噪声，从而获得更精确的测量结果。”

理论上，可以纠缠并测量三个或更多量子系统以获得更高的精度，但本实验结果与理论不符。尽管如此，作者们仍然相信未来的量子计算机能够克服这些限制。

康伦说：“未来，配备纠错量子比特的量子计算机将能够有效地测量越来越多的副本。”

据新加坡科技研究局材料研究与工程研究所 (IMRE) 首席量子科学家林平高教授称，这项工作的关键优势之一是，即使在噪声环境下仍然可以观察到量子增强现象。

他说：“对于生物医学测量等实际应用而言，即使信号不可避免地嵌入在嘈杂的现实世界环境中，我们也必须能够看到优势，这一点非常重要。”

这项研究由澳大利亚研究理事会量子计算与通信技术卓越中心（CQC2T）的专家与新加坡科技研究局材料研究与工程研究所（IMRE）、耶拿大学、因斯布鲁克大学和麦考瑞大学的研究人员合作完成。亚马逊网络服务（AWS）提供了研究和架构支持，并通过Amazon Bracket提供了Rigetti Aspen-9设备，从而为这项研究做出了贡献。

研究人员在19台不同的量子计算机上验证了他们的理论，这些计算机涵盖三种不同的平台：超导量子计算机、离子阱量子计算机和光子量子计算机。这些世界领先的设备分布在欧洲和美洲，并且可以通过云端访问，使全球各地的研究人员能够连接起来开展重要的研究。

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