《英国国家物理实验室(NPL)和约克大学研究人员提出量子通信技术保障的新见解》

  • 编译者: 李晓萌
  • 发布时间:2024-07-26
  • 2021年,英国国家网络安全中心(NCSC)发布了一份白皮书,概述了一种新的技术保障方法及其实施计划。这是出于认识到需要改进技术保障系统,以确保英国在实现到2030年成为科技超级大国的雄心壮志中保持正轨。

    近日,来自英国国家物理实验室(NPL)量子通信中心的研究人员Christopher Chunnilall和约克大学的研究人员Tim Spiller,制作了NCSC文件的注释版本,并就这些原则在量子通信背景下的应用添加了评论。

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  • 《美国天体物理联合实验室(JILA)等机构研究人员利用纠缠物质波,克服了标准量子极限(SQL)》

    • 编译者:李晓萌
    • 发布时间:2024-11-11
    • 今天的传感技术,从原子钟到引力波探测器,在很大程度上依赖于精度,但从根本上受到标准量子极限(SQL)的限制。长期以来,这种对测量精度的限制一直是需要超精确检测的科学领域的障碍。在近日发表在《Physical Review A》上的一项研究中(https://doi.org/10.1103/PhysRevA.110.L041301),来自美国国家标准与技术研究院(NIST)和科罗拉多大学博尔德分校的联合机构美国天体物理联合实验室(JILA)、NIST和科罗拉多大学量子物质理论中心的研究人员展示了一种使用纠缠物质波绕过这一障碍的新方法。通过仅操纵超冷原子的运动状态,而不是电子相互作用,该团队创建了一个高度可调的系统,可以产生纠缠,适用于更敏感的量子增强传感器。 通过动量态重新定义纠缠 纠缠是一种量子现象,其中粒子相互连接,这意味着即使相隔很远,一个粒子的状态也会瞬间影响另一个粒子。在量子传感中,纠缠对于超越测量精度的经典极限(称为标准量子极限(SQL))是必要的。这个限制限制了许多量子实验中可实现的精度。通过纠缠,科学家们希望减少测量中的不确定性,这可能会导致更精确的原子钟、引力波探测器和其他量子技术。 正如该研究所指出的那样,之前的研究通常依赖于纠缠原子的内部状态,例如它们的自旋或电子构型。然而,研究中详细介绍的这种新方法表明,原子动量态之间可以产生纠缠,为量子增强传感创造了一个完全不同的范式。 使用超冷原子腔系统,研究人员依靠腔内的原子运动如何导致腔光子的频率偏移。然后,这种转变以偶极力的形式反射回原子上,使它们相互作用。动量态之间的这些相互作用产生了一种可用于量子测量的纠缠形式,所有这些都不涉及电子相互作用。 调整原子运动以实现精确控制 在他们的实验装置中,原子被限制在光学腔中,该光学腔由相干驱动器泵浦,以特定速率注入光子。当原子在腔内移动时,它们与光子的相互作用会导致频率偏移,进而驱动腔的响应。这种动态在原子的动量态之间产生纠缠,使团队能够精确控制原子的集体运动。该系统具有高度可调性,这意味着研究人员可以调整各种参数来优化纠缠生成过程。 根据该团队的说法,这项实验的关键成就之一是演示了单轴扭转(OAT)动力学,这是一种压缩形式,可以降低一个测量方向的不确定性,同时增加另一个方向的不确定度。这种设置中的OAT动力学是由原子动量态之间的相互作用引起的,产生了一种集体运动,导致了计量上有用的纠缠。这意味着即使在存在噪声的情况下,该系统也可以实现SQL之外的精确测量。 SQL之外的传感技术转型 量子增强传感在广泛的领域具有潜在的应用,从基础物理实验到GPS和医学诊断等实用技术。研究指出,通过超越SQL,这项研究可能会带来更灵敏的探测器,能够以前所未有的精度测量引力场、磁场或其他物理性质的微小变化。 例如,在引力波探测中,必须测量时空中令人难以置信的微小变化,使用纠缠物质波可以实现更精确、更快的探测。同样,在依赖于基于原子振动的精确时间测量的原子钟中,降低测量不确定性可以显著提高其精度,从而带来更好的全球定位系统和电信技术。 一如既往,噪音是不可避免的 正如该团队所指出的那样,虽然这项研究对量子传感产生了影响,但在这种系统得到广泛部署之前,仍有一些挑战需要克服。主要限制之一是目前实验中使用的系统的大小。在这项研究中,研究人员使用了相对较少的原子和动量态。将这种方法扩展到更大的系统是必要的,以充分实现其在实际应用中的潜力。 此外,该系统仍然容易受到噪声和退相干的影响,这两者都会降低纠缠度并降低传感协议的有效性。未来的工作将需要专注于最大限度地减少这些影响,可能是通过改进纠错技术和更好地控制原子和光子相互作用。 纠缠物质波的精度未来 科罗拉多大学的团队所进行的研究可能为利用纠缠物质波进行量子增强传感提供新的可能性。通过超越依赖电子相互作用的传统方法,他们展示了一种可以提高各个领域测量精度的方法,特别是在更强大的量子传感器方面,其潜在应用范围从更精确的原子钟到更好的引力波探测器。随着量子传感领域的发展,控制和使用纠缠物质波的能力可能成为一个新的标准。 参与本研究的作者包括John Drew Wilson, Jarrod T. Reilly, Haoqing Zhang, Chengyi Luo, Anjun Chu, James K. Thompson, Ana Maria Rey, and Murray J. Holland。
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    • 编译者:张宇
    • 发布时间:2025-08-18
    • 近日,由国家物理实验室(NPL)主导的一项开创性研究在《Nature Communications》上发表(DOI:10.1038/s41467-025-61542-2),展示了有关 Orbitrap 质谱仪噪声结构的重要发现,Orbitrap质谱仪是分析复杂生物过程的关键工具。该研究解决了质谱中的噪声问题,噪声可能会影响检测极限,并在用于简化复杂光谱的计算方法中引入偏差。 质谱仪通过根据质荷比来分离电离分子,在理解生物演化过程中发挥着至关重要的作用。Orbitrap质谱仪因其精确的质荷比测量能力在工业、学术界和医疗保健领域备受重视,因为Orbitrap质谱仪能够分辨出质量几乎相同的分子。然而,直到现在,这些仪器固有的噪声结构尚未得到充分认知。 国家物理实验室(NPL)与迈克尔·R·基南博士(独立)、赛默飞世尔科技、弗朗西斯·克里克研究所、阿斯利康、IONTOF 公司和伦敦帝国理工学院合作,全面分析了Orbitrap的噪声结构。该研究引入了一种新的基于基本面的缩放方法,可以有效地分离并排序化学信息与噪声,解决了该领域长期存在的一个问题。此前,研究人员不得不依赖任意的缩放方法或根本不进行缩放,这导致数据解释过程中存在潜在的偏差。 这项研究的成果对科学界具有重要意义。通过确定噪声如何影响检测极限,该研究为改进信号处理的工作铺平了道路,并允许对强度刻度进行校准。这一进步将显著提高从Orbitrap质谱仪所获得数据的准确性和可靠性,最终使得生物研究和医疗保健领域的各种应用从中受益。 随着对Orbitrap质谱仪中噪声的研究不断深入,改进分析技术进步和更可靠的数据解析能力的不断增长,标志着质谱领域向前迈出了重要一步。 国家物理实验室(NPL)高级研究员伊恩·吉尔摩(Ian Gilmore)评论道:“这项基础性研究是多年研究工作的结晶,需要一个由统计学、物理学和生物学专家组成的高度协作且跨学科的团队。我对团队成员深表感谢,并相信这些成果将为质谱学界带来持久的利益。” 赛默飞世尔科技生命科学质谱研究总监亚历山大·马卡罗夫(Alexander Makarov)评论道:“这项真正的多学科研究为我们提供了一套先进的工具包,用于模拟Orbitrap光谱中的噪声,这将显著提高从质谱成像到同位素比测量等各领域广泛应用中质量分析的水平。”