近日，悉尼大学的科学家在精密传感实验中绕开了海森堡不确定性原理，该项基础研究项目为下一代量子传感器开辟了道路。
澳大利亚和英国的物理学家重塑了量子不确定性，以规避著名的海森堡不确定性原理所施加的限制——这一结果可能为未来用于导航、医学和天文学的超精密传感器技术研究奠定基础。
海森堡不确定性原理于1927年被提出，该原理阐述了无法同时以无限的精度测量某些成对的属性（例如粒子的位置和动量）。换句话说，不确定性总是需要在实际测量中进行权衡的：一个属性被测量的越精确，另一个属性的不确定性就越大。
由悉尼大学纳米研究所和物理学院的Tingrei Tan博士领导的一个团队展示了如何通过工程手段设计不同的权衡策略，以实现同时精确的测量位置和动量。
“把不确定性想象成气球里的空气，”Tan博士说。“如果不戳破气球，你就无法将其排出，但你可以挤压它来使它移动。这实际上就是我们现在所做的。我们将不可避免的量子不确定性推到我们不关心的地方（位置和动量的大范围、粗糙的跳跃），以便我们所关心的细节可以被更精确地测量。”
研究人员还使用时钟的类比来进一步解释他们的发现。想象一个有两根指针的普通时钟：时针和分针。现在想象这个时钟只有一根指针。如果是时针，你可以分辨出现在是几点，并且大致知道是几分，但分钟的读数会非常不精确。
如果时钟只有分针，虽然你可以非常精确地读出分钟，但你会失去更大的背景信息——具体来说，就是你不知道是几点钟。这种“模块化”测量以牺牲一些全局信息为代价，以换取更精细的细节。
“通过在量子系统中应用这种策略，我们可以更精确地测量粒子的位置和动量的变化，”悉尼大学量子控制实验室团队的Christophe Valahu博士（论文的第一作者）说。“我们放弃了全局信息，但获得了以前所未有的灵敏度检测微小变化的能力。”
该策略的理论阐述发表于2017年。而现在，谭博士的团队通过使用他们之前为纠错量子计算机所开发的技术方法，对这一策略进行了首次实验演示。
“这是一个从量子计算到量子传感的巧妙跨界，”来自RMIT大学的理论家、共同作者NicolasMenicucci教授说，“最初为稳健的量子计算机设计的想法可以被重新利用，以便传感器能够在不被量子噪声淹没的情况下检测到那些微弱的信号。”
悉尼大学团队通过捕获离子的微小振动状态实现了这种传感协议——这相当于量子版本的钟摆。他们在“网格态”中制备离子，这是一种最初为纠错量子计算而开发的量子态。通过这种方式，他们展示了位置和动量可以一起被测量，并且精度超过了“标准量子极限”——这是仅使用经典传感器所能达到的最佳水平。
“我们并没有打破海森堡原理。我们的协议完全在量子力学框架内运行，“来自皇家墨尔本理工大学（RMIT）的论文共同作者Ben Baragiola博士说。“该方案针对小信号进行了优化，在小信号中，细节的精细程度比粗糙程度更重要。”
能够检测极其微小变化的能力在科学和技术领域具有重要意义。超精密量子传感器可以用于：在GPS不起作用的环境中（例如潜艇、地下或太空飞行时）提高导航精度；增强生物和医学成像；监测材料和引力系统；或探究基础物理学。
虽然仍处于实验室阶段，但该实验展示了未来用于测量微小信号的传感技术新框架。它并不是取代现有的方法，而是在量子传感工具箱中添加了一个特殊的工具。
“正如原子钟改变了导航和电信一样，具有极高灵敏度的量子增强传感器可能会催生全新的产业，”Valahu博士说。
这个项目联合了悉尼大学的实验人员，以及英国皇家墨尔本理工大学（RMIT）、墨尔本大学、麦考瑞大学和布里斯托大学的首屈一指的理论家们。它展示了跨机构和跨国界的合作如何加速研究进展并增强澳大利亚量子研究社区的能力。
“这项工作凸显了国际联系与合作在推动研究发展中的力量，” Dr Tan说。
研究人员声明没有竞争利益。资金来自澳大利亚研究委员会、美国海军研究全球办公室、美国陆军研究办公室物理科学实验室、美国空军科学研究办公室、洛克希德·马丁公司、欧洲委员会、悉尼量子学院以及H.和A.哈雷。
该项目的相关研究成果已发表在《Science Advances》。（DOI：10.1126/sciadv.adw9757）
