由量子负性提供动力的超精密测量–“极度违反直觉且真正令人惊叹！”

量子激光被照射到我们希望测量的化学分子上。然后，光线通过我们的“魔术”量子滤光片。该滤光器会丢弃大量的光，同时会将所有有用的信息聚集在微弱的光线中，最终到达摄像机检测器。

科学家发现，一种称为“量子负性”的物理性质可用于对从分子距离到引力波的所有事物进行更精确的测量。

来自剑桥大学，哈佛大学和麻省理工学院的研究人员表明，量子粒子可以携带与其相互作用的事物的无限量的信息。结果发表在《自然通信》杂志上，可以实现更精确的测量并支持新技术，例如超精密显微镜和量子计算机。

计量学是估计和测量的科学。如果您今天早上称重自己，那么您已经完成了计量工作。就像预期量子计算将彻底改变复杂的计算方式一样，使用亚原子粒子的奇怪行为的量子计量学也可能会改变我们测量事物的方式。

我们习惯于处理从0％（从不发生）到100％（始终发生）的概率。但是，为了解释来自量子世界的结果，概率的概念需要扩展到包括所谓的准概率，它可能是负的。这种准概率可以用一种直观的数学语言来解释诸如爱因斯坦的“远距离怪异动作”和波粒对偶性之类的量子概念。例如，原子在某个位置并以特定速度行进的概率可能是负数，例如-5％。

一项解释需要负概率的实验被称为具有“量子负性”。科学家现在已经表明，这种量子负性可以帮助进行更精确的测量。

所有度量衡都需要探针，探针可以是简单的秤或温度计。但是，在最新的计量学中，探针是量子粒子，可以在亚原子水平上进行控制。使这些量子粒子与被测物相互作用。然后通过检测装置分析颗粒。

从理论上讲，探测粒子的数量越多，检测设备就可以获得越多的信息。但是实际上，检测设备可以分析颗粒的速率是有上限的。在日常生活中也是如此：戴上太阳镜可以滤除多余的光线并改善视力。但是滤镜可以改善我们的视力是有限度的-太黑的太阳镜有害。

“我们已经将工具从标准信息理论调整为准概率，并表明过滤量子粒子可以将一百万个粒子的信息凝聚为一个，”主要作者，剑桥大学卡文迪许实验室的David Arvidsson-Shukur博士和美国Sarah Woodhead研究员表示。格尔顿学院。“这意味着检测设备可以在接收大量更高速率的信息的同时，以理想的流入速率运行。根据正态概率理论，这是禁止的，但是量子负性使之成为可能。”

多伦多大学的一个实验小组已经开始建立使用这些新理论结果的技术。他们的目标是创建一种使用单光子激光来提供光学组件难以置信的精确测量的量子设备。这种测量对于创建先进的新技术（例如光子量子计算机）至关重要。

Arvidsson-Shukur说：“我们的发现开创了在现实应用中使用基本量子现象的令人兴奋的新方法。”

量子计量可以改善对物体的测量，包括距离，角度，温度和磁场。这些更精确的测量结果可以带来更好，更快的技术，但也可以提供更好的资源来探究基础物理学并增进我们对宇宙的理解。例如，许多技术都依赖于组件的精确对准或感应电场或磁场中微小变化的能力。对准镜子的精度更高，因此可以使用更精确的显微镜或望远镜，而更好的测量地球磁场的方法可以带来更好的导航工具。

目前，在诺贝尔奖获得者的LIGO汉福德天文台中，量子计量学可用于提高重力波的检测精度。但是对于大多数应用而言，量子计量已经过于昂贵，并且无法通过当前技术实现。新发表的结果提供了一种更便宜的量子计量方法。

卡文迪许实验室的博士论文合著者亚历山大·拉塞克（Aleksander Lasek）说：“科学家经常说'没有免费的午餐之类的东西，这意味着如果您不愿支付计算费用，您将一无所获。”“但是，在量子计量学中，这个价格可以任意降低。那是非常违反直觉的，而且确实很棒！”

哈佛大学ITAMP博士后研究员，合著者Nicole Yunger Halpern博士说：“每天的乘车通勤时间：六乘七等于七乘六。量子理论涉及不通勤的乘法。换向的缺乏使我们能够使用量子物理学来改进计量。

“量子物理学增强了计量，计算，加密等功能；但要严格证明这样做确实很困难。我们证明了量子物理学使我们能够从实验中提取出比仅传统物理学更多的信息。证明的关键是概率的量子形式-类似于概率但可以采用负和非实数值的数学对象。”

参考：David R. M. Arvidsson-Shukur，Nicole Yunger Halpern，Hugo V.Lepage，Aleksander A.Lasek，Crispin H.W.Barnes和Seth Lloyd撰写的“后选计量学中的量子优势”，自然通信，2020年7月29日。
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