- 海森堡不確定性原理新應用：可提升量子傳感器精度
- 來源：科學進展 發表于 2025/10/10
近一個世紀以來，海森堡不確定性原理一直是量子物理學的核心理論之一：無法同時以絕對精度獲知粒子的位置和動量。對其中一項的測量越精確，對另一項的了解就越模糊。
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在《科學進展》（Science Advances）期刊發表的一項新研究中，我們的團隊展示了如何繞過這一限制 —— 并非打破物理定律，而是重構不確定性本身。
這一成果是測量科學領域的突破，或能推動新一代原子尺度超高精度量子傳感器的發展。
轉移不確定性
不確定性原理明確指出，測量中總會存在最小限度的不確定性。但可以將其比作氣球里的空氣：空氣無法逸出，但你可以在氣球內部自由移動它。
同理，在測量位置和動量時，不確定性的總量是固定的，但我們可以在兩者之間重新分配這種不確定性。
傳統上，這種權衡意味著必須做出選擇：要么精確測量位置，卻丟失動量信息；要么反之。
我們的研究采用了不同思路：將不確定性轉移到無關緊要的感知范圍中。
為理解這一點，不妨再用一個比喻：想象一個只有一根指針的時鐘。若是時針，能精確知道小時，但只能大致判斷分鐘；若是分針，能精確讀取分鐘，卻無法確定小時。
我們將這一思路應用于量子測量：重新分配不確定性，從而能在選定的參考點附近，同時追蹤位置和動量的微小變化 —— 即便我們并不清楚該參考點本身的絕對位置。
借助這一方法，我們能同時檢測到位置和動量的極微小變化，突破了所有經典傳感器的極限。
用量子糾錯碼提升量子傳感精度
我們是如何實現的？我們重新利用了原本用于保護量子計算機免受噪聲干擾的技術，以此提升測量設備的精度。這一思路最早在 2017 年的一項理論研究中被提出。
我們的實驗借助了 “被困離子”—— 即通過電場和磁場固定并控制的單個帶電原子。
我們將離子制備成 “網格態”（一種最初為糾錯量子計算開發的量子態），隨后將這些狀態用作傳感器來測量微弱信號，原理類似檢測量子計算機中的錯誤。
量子計算與量子傳感的這種交叉融合，正是我們研究的核心思路。
實驗結果顯示，我們能測量到對應 0.5 納米（約一個原子大小）的信號不確定性，還能測量極微弱的力 —— 單位為幺牛（yoctonewton），即 10 的 - 24 次方牛（萬億分之一的萬億分之一牛），相當于測量約 30 個氧分子的重量。
這項研究為何重要？
能夠測量極微弱信號具有深遠意義。看似反直覺的是，對微觀世界的測量，反而能幫助我們加深對宏觀世界的理解。
量子傳感器已助力引力波天文臺探測到黑洞碰撞等宇宙事件。我們的研究為更強大的傳感能力打開了大門，有望進一步加深對天體物理對象的認知。
目前，該實驗仍處于物理實驗室的研究范疇內，并非明天就能在商店買到的設備。但我們有信心，這種實現高精度測量的新方法，將催生出一整代超高靈敏度量子傳感器。
期刊信息：《科學進展》（Science Advances）
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