量子纠缠可能依然令人毛骨悚然,但它有十分实用的一面
人类对量子科学的应用可能只是刚才开始
精度,也是检测中的一个重要诱因。在个别情况下,检测的高精确度至关重要。晓得怎样精确检测位置可以让GPS帮助您导航你想去的地方,更精确的检测引导航天器降落在火星上。
改进的检测可以帮助我们做更多的事情,了解更多。这就是可以使用量子系统和纠缠的地方。它们可以帮助我们仔细感知环境并以无与伦比的精度进行检测。
额外的感官力量
退相干是量子通讯的一个主要课题。当量子粒子与环境中的物体互相作用时,才会发生此类情况-比如,光纤线缆的边沿-造成它们的波函数崩溃。
退相干的发生是由于量子态对环境极其敏感。这是量子通讯的一个问题,但在传感器方面实际上是一个用处。它们对环境微小变化的反应正是量子传感这么精确的诱因,使它们才能达到我们先前未曾梦想过的精度。
量子传感本质上是观察粒子怎样与其环境互相作用。有不同类型的量子传感可以检测各类各样的东西——磁场、时间、距离、温度、压力、旋转和许多其他可观测物。随着我们更详尽地了解量子传感的工作原理,我们可以进一步理解它们的力量以及它们怎样影响我们的生活。
地质研究
在最初的《侏罗纪景区》中,古生物学家使用了一些未定义的虚构技术来布光隐藏在地下的恐龙骨骼的图象。这个场景有点愚蠢,但它确实帮助我们理解了一个工具的影响,它让我们无需挖掘才能看见地下。这样的技术可能难以帮助我们找到令人震惊的完整恐龙骨骼,但它可以帮助我们找到许多其他东西-废弃的煤矿,管线或线缆,含水层以及各类地下不规则性。在开始挖掘之前了解地下的位置可以帮助公司在从轻轨到摩天大厦的建设过程中节约数百万欧元。
原子怎样提供帮助?如同太阳和月球一样,我们周围的事物也有引力——尽管要小得多。像大理石脉这样的致密物质将比空的轻轨隧洞具有更大的引力。从地面上检测时,差别可能很小,但足够精确的传感可以测量到它。
爱丁堡学院的一个小组使用原子作为量子传感,说明了这些传感的精确程度。她们将两个原子置于引力场中,给一个原子一点向下“踢”。这个原子在重力作用下又落了出来。由于粒子可以充当波,所以两个原子互相制约,形成干涉纹样。原子波的两个波峰可能对齐,导致相长干涉。或则,波峰可能与波谷对齐,导致破坏性干扰。重力的微小差别将改变原子的干涉模式,因而容许在引力场中进行微小的检测。
这除了可以让我们晓得脚下是哪些,还可以帮助我们预测火山何时爆发。岩浆填充火山下的空室会改变当地的重力。分布在火山上的传感可能就能感知到何时饱含腔室,并希望在喷发前发出预警。
无与伦比的量午时间
原子钟是量子传感的另一个反例,可以形成极高的精度。这种时钟依赖于原子的量子性质。首先,原子中的所有电子都有一定的能量。想像一下电子以一定距离绕原子核运行。电子只能在由高度特定的基态隔开的离散状态下运行。为了从一个基态转移到另一个基态,电子可以吸收精确频率的光子向下联通,也可以发射光子向上联通。当电子改变其在原子周围的能量状态时,原子钟都会起作用。
目前,加拿大的标准时间是由法国国家标准与技术研究院的铯原子钟确定的。这个时钟是这么精确,以至于它在1亿年内既不会降低也不会丧失一秒钟。为了这么精确地检测时间,时钟使用激光束以非常精确的光频度照射铯原子,将它们的电子跃迁到更高的水平。激光频度的精确校正是获得时间的诱因。(频度是时间的倒数)
假如我们的原子不是自己工作,而是互相纠缠,我们可以做得更好。2020年,麻省理工大学的一个团队使用纠缠原子制做了一个原子钟。这个时钟的确切性确实令人激奋:它在宇宙的年纪上只损失了100纳秒。
从很小到很大
量子传感可以让我们的望远镜和显微镜向我们展示更多。
一般,当我们考虑探求宇宙时,我们会想像一个搜集光子的望远镜-无论是光学,红外线还是无线电。但我们也可以借助引力波探求宇宙。
当一对黑洞合并或超新星爆燃时,空间和时间本身的结构如同水塘上的涟漪一样被拉伸和挤压。我们可以使用干涉仪测量这种涟漪,它可以精确地比较两个垂直方向的距离。为了检测这一点,仪器沿每位轴发送一束光。光束从穿衣镜上大跌,返回光源并重新组合,产生干涉纹样。假如来自引力波的涟漪在一个方向上通过干涉仪,它可能会被稍稍拉伸,而从另一个方向它会遭到挤压,造成干涉纹样发生变化。这些差别很小量子通讯设备,但它表明引力波的通过。
在这儿,纠缠光子再度可以提供优势。干涉仪的检测能力遭到光束内光子抵达时间差别的限制。简而言之,一些光子比其他光子更早抵达侦测器。通过将纠缠光子和一种称为“光子挤压”的技术与海森堡不确定性原理相结合量子通讯设备,我们可以降低这种光子抵达时间的传播,而牺牲另一个可观测光子。使用这些技巧,像LIGO和Virgo这样的干涉仪可以测量到比原子核小10万倍的震动。
量子从奥妙到应用是科学家的新课题
挤压光也有助于提升显微镜的灵敏度。为了使显微镜工作,光线必须点亮主体。当光从样品反射并返回显微镜时,光子抵达时间的随机性会引入噪音。一般,这些所谓的散粒噪音可以通过降低照度来增加。但在个别时侯,光的硬度实际上会毁坏样品,非常是假如它是某种生物组织。澳大利亚悉尼学院的一个研究小组表明,使用纠缠光子并挤压它们可以提升显微镜的灵敏度,而不会破坏样品。
检测是关于更深入地了解我们的环境。无论是体温、电场、压力还是时间,这种检测都不仅仅是数字。它们是关于理解这种数字的涵义以及怎样使用小的变化。量子传感可用于MRI和没有GPS系统的导航。它们可以帮助手动驾驶车辆更好地感知环境,科学家预测火山爆发。量子纠缠可能依然是神秘的,但它也有十分实用的一面