量子压缩：下一代精密技术的关键

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量子压缩：下一代精密技术的关键

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量子压缩技术是量子物理学领域的一项突破性概念，它通过调整量子系统内的不确定性，使科学家能够更精确地测量特定变量。这一技术已经在原子钟等精密测量设备中展现出巨大潜力。近日，日本东北大学的研究团队在《物理评论研究》上发表最新研究成果，探讨了量子压缩技术在多变量测量中的应用前景。

图1：量子压缩通过调整量子系统内的不确定性，实现高精度测量。通过"压缩"测量的一部分来减少不确定性，科学家可以更准确地捕捉特定变量的数据，尽管这会导致其他领域的不确定性增加。来源：SciTechDaily.com

图2：一个充满空气的气球：当它不被碰触时，气球是完美的圆形。如果你挤压一边，它会在那个地方变平，但会向相反的方向伸展。来源：Tohoku University

量子压缩是一种通过在系统内重新分配不确定性来提高精度的方法，已经在原子钟等技术上取得了进步。随着研究人员将其应用于更复杂的测量，这一概念有望产生更广泛的影响。

量子压缩是量子物理学中的一种技术，它可以减少系统的一个方面的不确定性，同时增加另一个方面的不确定性。想象一个充满空气的气球：当它不被碰触时，气球是完美的圆形。如果你挤压一边，它会在那个地方变平，但会向相反的方向伸展。

同样，在压缩量子态中，减少一个变量（如位置）的不确定性（或噪声）会导致相关变量（如动量）的不确定性增加。总不确定性保持不变，但以这种方式重新分配它，可以更精确地测量其中一个变量。

提高量子测量的精度

这种技术已经成功地应用于只需要精确测量一个变量的情况，例如提高原子钟的精度。然而，使用挤压同时测量多个因素，如位置和动量，要复杂得多。

在最近发表在《物理评论研究》（Physical Review Research）上的一篇研究论文中，日本东北大学的Le Bin Ho博士探讨了压缩技术在提高多因素量子系统测量精度方面的有效性。分析提供了理论和数值见解，帮助在这些复杂的测量中实现最大精度的机制识别。原文详见：Le Bin Ho. Squeezing-induced quantum-enhanced multiphase estimation.Physical Review Research, 2024, 6: 033292.DOI: 10.1103/PhysRevResearch.6.033292. Published 12 September 2024.https://journals.aps.org/prresearch/abstract/10.1103/PhysRevResearch.6.033292

Le Bin Ho说：“此项研究旨在更好地理解如何将量子压缩用于更复杂的测量情况，包括对多个相位的估计。通过弄清楚如何实现最高水平的精度，我们可以为量子传感和成像的新技术突破铺平道路。”

对先进量子技术的启示

这项研究观察了一个三维磁场与一组相同的二能级量子系统（identical two-level quantum systems）相互作用的情况。在理想的情况下，测量的精度可以达到理论上尽可能精确的程度。然而，早期的研究一直在努力解释这是如何工作的，特别是在现实世界中，只有一个方向才能实现完全的量子纠缠。

这项研究将产生广泛的影响。通过对多元相进行更精确的量子测量，它可以显著推动各种技术的发展。例如，量子成像（quantum imaging）可以产生更清晰的图像，量子雷达（quantum radar）可以更准确地探测物体，原子钟（atomic clocks）可以变得更加精确，从而改进GPS和其他对时间敏感的技术。在生物物理学（biophysics）方面，它可能导致核磁共振等技术的进步，提高分子和细胞测量的准确性，提高用于早期检测疾病的生物传感器的灵敏度。