測不準原理或將被打破?新技術「繞過」了海森堡不確定性原理!

2021-01-15 博科園

洛桑聯邦理工學院、劍橋大學、IBM研究-蘇黎世分校的科學家們一起，揭示了光和機械運動之間相互作用中的新動力學，對旨在規避著名的「反向作用限制」問題中探測器的影響量子測量具有重要意義。近些年來，機械運動的經典測量極限已經超出了預期，例如在第一次直接觀測引力波時，表現為千米級光學幹涉儀中鏡面的微小位移。在微觀尺度上，原子力顯微鏡和磁共振力顯微鏡現在可以揭示材料的原子結構，甚至可以感覺到單個原子的自旋。

但是使用純粹的常規手段，所能達到的敏感性有限。例如，在量子力學中，海森堡測不準原理暗示了「測量反作用」的存在：對粒子位置的精確測量總是會破壞任何關於它的動量，因此也就破壞了預測它的任何未來位置。回溯規避技術專門設計為「繞過」海森堡不確定性原理，通過仔細控制測量中獲得的信息和未獲得信息，例如只測量振蕩器的振幅而忽略其相位。

理論上，這種方法具有無限的靈敏度，但代價是只有一半的可用信息。但撇開技術挑戰不談，科學家們普遍認為，這種光機械相互作用產生的任何動力效應，都不會帶來任何進一步的複雜性。現在，為了提高此類測量的靈敏度，洛桑聯邦理工學院的Tobias Kippenberg實驗室與劍橋大學和IBM研究-蘇黎世分校的科學家合作，發現了新的動力學，對可實現的靈敏度施加了意想不到的限制。

在發表在《物理評論X》期刊上的這項研究表明，光學頻率的微小偏差與機械頻率的偏差一起，可能會產生嚴重的後果（即使在沒有外來影響的情況下）。因為機械振蕩開始失控地放大，模仿「簡併參數振蕩器」的物理特性。在兩個截然不同的光學機械系統中發現了相同行為，一個使用光學，另一個使用微波輻射，證實了這種動力學並不是任何特定系統所獨有的。

洛桑聯邦理工學院的研究人員通過調整頻率繪製了這些動態的圖景，證明了與理論的完美匹配。第一作者、科學家伊泰·肖羅尼(Itay Shomroni)表示：其他動力不穩定性幾十年來一直為人所知，並被證明會困擾引力波傳感器。現在，這些新結果必須在未來的量子傳感器設計和相關應用中考慮，例如無反作用的量子放大。

博科園｜研究/來自：洛桑聯邦理工學院

參考期刊《物理評論X》

DOI: 10.1103/PhysRevX.9.041022

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    #科學了不起#系列徵文賽洛桑聯邦理工學院、劍橋大學、IBM研究-蘇黎世分校的科學家們一起，揭示了光和機械運動之間相互作用中的新動力學例如，在量子力學中，海森堡測不準原理暗示了「測量反作用」的存在：對粒子位置的精確測量總是會破壞任何關於它的動量，因此也就破壞了預測它的任何未來位置。回溯規避技術專門設計為「繞過」海森堡不確定性原理，通過仔細控制測量中獲得的信息和未獲得信息，例如只測量振蕩器的振幅而忽略其相位。理論上，這種方法具有無限的靈敏度，但代價是只有一半的可用信息。
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    洛桑聯邦理工學院、劍橋大學、IBM研究-蘇黎世分校的科學家們一起，揭示了光和機械運動之間相互作用中的新動力學，對旨在規避著名的「反向作用限制」問題中探測器的影響量子測量具有重要意義。例如，在量子力學中，海森堡測不準原理暗示了「測量反作用」的存在：對粒子位置的精確測量總是會破壞任何關於它的動量，因此也就破壞了預測它的任何未來位置。回溯規避技術專門設計為「繞過」海森堡不確定性原理，通過仔細控制測量中獲得的信息和未獲得信息，例如只測量振蕩器的振幅而忽略其相位。理論上，這種方法具有無限的靈敏度，但代價是只有一半的可用信息。
  • 海森堡的測不準原理
    月，年輕的海森堡（Werner Heisenberg）發展出了量子理論中的一個主要關鍵——測不準原理，涵義極為深遠。 雖然其他的科學家也許覺得波動的方法比較容易使用，但海森堡的矩陣力學卻很自然地讓他發展出了測不準原理，也因此聲名大噪。在矩陣數學中，並非都會是 a×b＝b×a，對於不可交換的變量組，例如位置和動量，或是能量和時間，就會產生不確定的關係。海森堡還做了一個思考性的實驗，他設想以γ射線顯微鏡來測量電子的位置。
  • 【量子物理】海森堡不確定性原理經典解釋被實驗推翻!
    他最著名的思想實驗是對一個電子拍照。為了拍攝照片，科學家可能要向電子的表面發射一顆光子。這會暴露電子的位置，但光子也會把能量傳遞給電子，使它發生位移。探測電子的位置會不確定地改變它的速率，而測量行為引發的不確定性足以讓這個原理成立。
  • 深層解讀海森堡測不準原理,裡面蘊藏的宇宙奧秘讓人驚嘆!
    海森堡測不準原理是量子物理中幾大延伸至普通流行文化中的思想之一，這個思想是說你永遠不可能同時知道一個物體的準確位置和準確速度，並作為隱喻頻頻出現於文學批判
  • 對「海森堡測不準原理」最大的誤解進行深度剖析
    但是我要告訴你的是，我們能同時測準速度和位置，這個僅僅是在宏觀世界才能做到，在微觀世界是做不到的，因為微觀世界遵循「海森堡測不準」原理。關於這個原理我之前已經詳細講解過，如果你沒看可以先往前翻下。這個測不準原理的核心就是：我們永遠無法同時精確測量出一個微觀粒子的速度和位置（速度也可以替換成動量）。
  • 謎一樣的量子力學:從測不準原理到薛丁格的貓
    量子物理學從1927年的海森堡的測不準原理到1935年薛丁格的貓，科學特別是量子物理學給我們營造了一種謎一般的假象。雖然它們會涉及深刻的哲學問題，然而科學畢竟不是形上學的哲學。量子計算機更是打破了傳統的經典世界中基本計算單元「非0即1」的狀態，而是可以多種狀態疊加存在，光量子計算機能把幾十萬年的運算時間縮短為幾秒鐘。
  • 鬼魅般的超距作用——揭開海森堡「測不準原理」的神秘面紗
    量子力學的靈魂海森堡測不準原理是量子世界的救世主。如果不是在量子力學中，量子力學在它開始之前就已經崩潰了。根據海森堡說法，你不可能同時知道一個粒子的位置和它的速度，粒子位置的不確定性，必然大於或等於普朗克常數除以4π（ΔxΔp≥h/4π）。
  • 海森堡測不準原理,指的是用光測不準粒子,但並非指其他方法都測不準,是這樣嗎?
    (宇宙探索QQ群：1145693748）海森堡測不準原理
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    確定的量子的不確定性——淺析測不準原理中的共軛變量對在量子物理學中，「量子的不確定性」是真實確定的在測不準原理中，最重要的共軛變量對有兩對，即位置/動量變量對和能量/時間變量對。在海森堡測不準原理中，海森堡描述的典型例子是位置/動量關係。但是，當你對諸如電子這樣的量子實體的位置確定得越精確，你對這個電子將去向哪裡就越不確定；電子的動量確定得越準確，那麼你對這個電子的位置就越不確定。這種不確定性是電子或者其他量子實體本身的一種屬性，電子自己也不能同時知道它現在在哪裡和它將去向哪裡。
  • 上帝不會擲色子,測不準原理僅僅是測不準
    海森堡整出了個測不準原理，意思是無法同時確定電子的動量和位置，是這樣的嗎？當然是，這和實驗結果符合的很好，但這只能說明是測不準，而不表示電子的位置和動量無法確定。測不準原理只是測不準，不表示量子的動態無法確定，電子核內運動方程我已經給出了，我們可以根據電子半徑算出它的頻率或動量，以及經過時間t以後電子的位置。電子和其它所有物質和粒子一樣走的是螺旋線，橢圓方程。電子是有運動軌跡的，當然測量也會干擾電子運動，但不表示電子是以概率存在，如果是這樣，概率就不會有規律。
  • 量子力學中的測不準原理,是儀器本身測不準,還是其他原因?
    測不準原理，這幾個字其實很容易讓人產生誤解，會誤認為是
  • 量子力學的測不準原理是個啥?通俗的給你解釋一遍!
    接觸過量子力學的人都知道，量子力學中有一個怪異的現象，那就是測不準原理。好吧，這其實是當初翻譯時的誤解，確切的來說應該是不確定性原理，是由海森堡首先提出的。海森堡不確定性原理準確的來說，就是微觀粒子的動量和位置不能同時測量到。
  • 從狹義到廣義「測不準原理」
    當我們不去觀測一個粒子的運動特性時，該粒子處於粒子性和波動性的疊加狀態，不能確定一個處於疊加態粒子的運動軌跡，這是量子物理學家定義的「測不準原理」或「不確定性原理」的真正含義。當我們觀測一個粒子的運動特性時，眼睛發出和接受光子的行為將影響一個粒子的疊加態，用數學描述的粒子行為的波函數發生「崩塌」，「去波動性」的粒子獲得確定位置的運動軌跡。
  • 量子力學筆記12---波動力學-測不準原理
    海森堡：「在每一個嶄新的認識階段，我們永遠應該以哥倫布為榜樣，他勇於離開他已熟悉的世界，懷著近乎狂熱的希望到大洋彼岸找到了新大陸
  • 量子力學那點事群雄逐鹿之五:測不準的互補原理
    海森堡提出了「測不準」原理，這個理論是說，一個微觀粒子的某些物理量（如位置和動量，或方位角與動量矩，還有時間和能量等），不可能同時具有確定的數值，其中一個量越確定，另一個量的不確定程度就越大。測量一對共軛量的誤差（標準差）的乘積必然大於普朗克常數除以4π，這表明微觀世界的粒子行為與宏觀物質很不一樣。
  • 量子力學——測不準原理
    但是在量子領域中，我們的經典物理定律就似乎不太適用了，很多東西都是不確定的，也就是不可被測的。在量子力學裡，測不準原理表明，粒子的位置與動量不可同時被確定，位置的不確定性越小，則動量的不確定性越大，反之亦然。維爾納·海森堡於1927年發表論文《論量子理論運動學與力學的物理內涵》給出這原理的原本啟發式論述，希望能夠成功地定性分析與表述簡單量子實驗的物理性質。
  • 科學百科53期丨海森堡的測不準原理是怎麼回事?
    ▼第五十三個問題：海森堡的測不準原理是怎麼回事？要解釋測不準的問題，我們先得問一問：什麼叫做測準了？再舉個例子，假定你想測量輪胎中的空氣壓力，你就要讓輪胎逸出極小量的空氣來推動測壓計的活塞。但是，有空氣逸出這個事實就說明，空氣的壓力已經由於測量它這一動作而稍稍降低了。有沒有可能發明一些非常微小、非常靈敏，而又不直接同所要測量的性質發生關係的測量器件和方法，因而也就根本不會給所要測量的性質帶來絲毫變化呢？
  • 確定性的喪失:量子力學的測不準原理丨上帝確實是在擲骰子
    一、不確定性原理是什麼在今天，海森堡的不確定性原理已經成為了量子力學的核心本質。這很容易讓人們產生這樣的想法：不確定性關係不是微觀世界的一個基本原理，而完全是由於實驗條件的限制所導致的。由於是測量工具對微觀物理現象的擾動導致的，因此海森堡的不確定性關係就被稱之為測不準原理。因為例如，我們在用儀器觀察一個微觀粒子時，會不可避免地對其造成擾動，從而以不可知的方式影響到粒子的運動。然而，我們現在已經知道這一切與人類的測量無關，它是量子的內在稟性。