科學(xué)家發(fā)現(xiàn)，一種稱為“量子負(fù)性”的物理性質(zhì)可用于對從分子距離到引力波的所有事物進(jìn)行更精確的測量。

來自劍橋大學(xué)，哈佛大學(xué)和麻省理工學(xué)院的研究人員表明，量子粒子可以攜帶與其相互作用的事物的無限量的信息。結(jié)果發(fā)表在《自然通訊》雜志上，可以實(shí)現(xiàn)更精確的測量并支持新技術(shù)，例如超精密顯微鏡和量子計(jì)算機(jī)。

計(jì)量學(xué)是估計(jì)和測量的科學(xué)。如果您今天早上稱重自己，那么您已經(jīng)完成了計(jì)量工作。就像預(yù)期量子計(jì)算將徹底改變復(fù)雜計(jì)算的方式一樣，利用亞原子粒子的奇怪行為，量子計(jì)量學(xué)可能會改變我們測量事物的方式。

我們習(xí)慣于處理從0%(從未發(fā)生)到100%(總是發(fā)生)的概率。但是，為了解釋來自量子世界的結(jié)果，概率的概念需要擴(kuò)展到包括所謂的準(zhǔn)概率，它可能是負(fù)的。這種準(zhǔn)概率可以用一種直觀的數(shù)學(xué)語言來解釋量子概念，例如愛因斯坦的“遠(yuǎn)處的怪異動作”和波粒對偶。例如，原子在某個(gè)位置并以特定速度行進(jìn)的概率可能是負(fù)數(shù)，例如-5%。

解釋需要負(fù)概率的實(shí)驗(yàn)被稱為具有“量子負(fù)性”。科學(xué)家現(xiàn)在已經(jīng)表明，這種量子負(fù)性可以幫助進(jìn)行更精確的測量。

所有度量衡都需要探針，探針可以是簡單的秤或溫度計(jì)。但是，在最新的計(jì)量學(xué)中，探針是量子粒子，可以在亞原子水平上進(jìn)行控制。使這些量子粒子與被測物相互作用。然后通過檢測裝置分析顆粒。

從理論上講，探測粒子的數(shù)量越多，檢測設(shè)備就可以獲得更多的信息。但是實(shí)際上，檢測設(shè)備可以分析顆粒的速率是有上限的。在日常生活中也是如此：戴上太陽鏡可以濾除多余的光線并改善視力。但是濾鏡可以改善我們的視力是有限度的-太黑的太陽鏡有害。

劍橋大學(xué)卡文迪許實(shí)驗(yàn)室的戴維·阿維森松-舒克博士和薩拉·伍德海德研究員薩拉·伍德海德(Sarah Woodhead Fellow)格爾頓學(xué)院。“這意味著檢測設(shè)備可以在接收到更高速率對應(yīng)的信息的同時(shí)以理想的流入速率運(yùn)行。根據(jù)正態(tài)概率理論，這是禁止的，但是量子負(fù)性使之成為可能。”

多倫多大學(xué)的一個(gè)實(shí)驗(yàn)小組已經(jīng)開始建立使用這些新理論結(jié)果的技術(shù)。他們的目標(biāo)是創(chuàng)建一種量子器件，該器件使用單光子激光來提供難以置信的光學(xué)組件精確測量。這種測量對于創(chuàng)建先進(jìn)的新技術(shù)(例如光子量子計(jì)算機(jī))至關(guān)重要。

Arvidsson-Shukur說：“我們的發(fā)現(xiàn)開創(chuàng)了在現(xiàn)實(shí)應(yīng)用中使用基本量子現(xiàn)象的令人興奮的新方法。”

量子計(jì)量可以改善對物體的測量，包括距離，角度，溫度和磁場。這些更精確的測量結(jié)果可以帶來更好，更快的技術(shù)，也可以提供更好的資源來探究基礎(chǔ)物理學(xué)并增進(jìn)我們對宇宙的理解。例如，許多技術(shù)都依賴于組件的精確對準(zhǔn)或感應(yīng)電場或磁場中微小變化的能力。對準(zhǔn)鏡子的更高精度可以使用更精確的顯微鏡或望遠(yuǎn)鏡，而更好的測量地球磁場的方法可以帶來更好的導(dǎo)航工具。

目前，在諾貝爾獎獲得者的LIGO漢福德天文臺，量子計(jì)量學(xué)可用于提高重力波的檢測精度。但是對于大多數(shù)應(yīng)用而言，量子計(jì)量技術(shù)過于昂貴，并且無法通過當(dāng)前技術(shù)實(shí)現(xiàn)。新發(fā)表的結(jié)果提供了一種更便宜的量子計(jì)量方法。

合著者之一Aleksander Lasek說：“科學(xué)家經(jīng)常說'沒有免費(fèi)的午餐之類的東西'，這意味著如果您不愿支付計(jì)算費(fèi)用，您將一無所獲。” 卡文迪許實(shí)驗(yàn)室的候選人。“但是，在量子計(jì)量學(xué)中，這個(gè)價(jià)格可以任意降低。這是非常違反直覺的，而且確實(shí)是驚人的!”

哈佛大學(xué)ITAMP博士后研究員，合著者Nicole Yunger Halpern博士說：“日常乘換乘法：六乘七等于七乘六乘以六。量子論涉及不可乘的乘積。缺少換向使我們能夠改進(jìn)計(jì)量學(xué)使用量子物理學(xué)。

“量子物理學(xué)增強(qiáng)了計(jì)量，計(jì)算，密碼學(xué)等功能;但是嚴(yán)格地證明了這一點(diǎn)很困難。我們證明了量子物理學(xué)使我們能夠從實(shí)驗(yàn)中提取比傳統(tǒng)物理學(xué)更多的信息。證明的關(guān)鍵是概率的量子形式：類似于概率但可以采用負(fù)和非實(shí)數(shù)值的數(shù)學(xué)對象。”