物理学家绕过海森堡不确定性原理，实现超精密测量

十大品牌 2025年09月25日 19:52 3 admin

信息来源：https://scitechdaily.com/physicists-find-a-new-way-around-quantum-limits/

量子力学的基本定律似乎已经不再是绝对的障碍。澳大利亚和英国的物理学家团队成功开发出一种创新方法，能够在不违背海森堡不确定性原理的前提下，同时以极高精度测量粒子的位置和动量。这项发表在《科学进展》杂志上的研究成果，为下一代量子传感器的发展开辟了全新路径，有望在导航、医学成像和天文学等领域实现革命性应用。

海森堡不确定性原理自1927年提出以来，一直被视为量子世界的铁律：无法同时精确知晓粒子的某些属性对，如位置和动量。提高一个属性的测量精度必然会降低另一个属性的确定性。然而，悉尼大学纳米研究所的丁睿谭博士领导的国际研究团队，通过巧妙的实验设计证明了这一限制可以被巧妙规避。

研究团队的核心创新在于重新设计了量子不确定性的分布方式。丁睿谭博士用一个生动的比喻解释了这一概念："把不确定性想象成气球里的空气。如果不戳破气球，你无法将其移除，但可以挤压它来移动位置。我们将不可避免的量子不确定性推向我们不关心的地方，这样我们真正关心的细节就可以更精确地测量。"

通过重新设计量子不确定性的本质，研究人员发现了一种以前所未有的精度测量不可测量的方法。他们的方法改编自量子计算，暗示了传感器的未来，其灵敏度足以改变导航、医学和天文学。图片来源：Shutterstock

从量子计算到传感应用的技术转化

这项突破性研究的实现依赖于研究团队此前为纠错量子计算机开发的技术方法。他们使用捕获离子的微小振动运动作为量子传感的基础，将离子制备在"网格态"中——这是一种最初为量子计算纠错而开发的特殊量子态。通过这种方法，他们成功证明位置和动量都可以以超越"标准量子极限"的精度进行测量。

皇家墨尔本理工大学的理论物理学家尼古拉斯·梅尼库奇教授强调了这种跨领域应用的重要意义："这是从量子计算到传感的巧妙交叉。最初为强大量子计算机设计的理念可以重新利用，使传感器能够拾取更微弱的信号，而不被量子噪声淹没。"

研究的第一作者、悉尼大学量子控制实验室的克里斯托夫·瓦拉胡博士进一步阐述了技术原理："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位置和动量的变化。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。"

通过牺牲我们对“粗略信息”的了解，我们的量子实验可以专注于更精细的信息，规避但不突破海森堡的不确定性原理。研究人员使用时钟的类比。想象一个有两根指针的普通时钟：时针和分针。现在想象一下时钟只有一根指针。如果是时针，你可以分辨出现在是几点，大致是几分钟，但分钟读数会非常不精确。如果时钟只有分针，你可以非常精确地读取分钟，但你会忘记更大的背景——特别是你处于哪个小时。这种“模块化”测量牺牲了一些全局信息，以换取更精细的细节。图片来源：悉尼大学

为了帮助理解这一复杂概念，研究团队使用了时钟的类比。想象一个只有一根指针的时钟：如果是时针，你可以知道大致的小时和分钟，但分钟读数很不精确；如果是分针，你可以非常精确地读取分钟，但会失去更大的时间背景信息。这种"模块化"测量策略牺牲了部分全局信息，换取了对细节的超高精度感知。

皇家墨尔本理工大学的合著者本·巴拉吉奥拉博士强调："我们没有违反海森堡原理。我们的协议完全在量子力学框架内运作。该方案专门针对小信号进行了优化，其中精细细节比粗略信息更为重要。"

应用前景与产业变革潜力

Tingrei Tan 博士在悉尼大学纳米研究所悉尼纳米科学中心。Tan 博士是理学院的悉尼地平线研究员，也是悉尼纳米量子控制实验室的经理。图片来源：Fiona Wolf/悉尼大学

这项技术突破的意义远远超出了基础物理学研究的范畴。检测极小变化的能力在科学和技术的各个领域都具有重要价值，而超精密量子传感器的发展可能带来多个产业的革命性变化。

在导航领域，这种新型传感器技术可以显著增强GPS无法正常工作环境中的定位能力。对于潜艇、地下作业或太空飞行等特殊环境，传统卫星导航系统往往失效，而基于量子增强原理的惯性导航系统有望提供前所未有的精度和可靠性。

医学成像是另一个有望受益的重要领域。当前的医学成像技术在分辨率和灵敏度方面仍有显著局限，特别是在早期疾病诊断方面。超精密量子传感器可能使医生能够检测到更微弱的生理信号变化，从而实现更早期、更准确的疾病诊断。

在天文学研究中，引力波探测等前沿项目对测量精度有着极为苛刻的要求。现有的激光干涉引力波天文台已经能够探测到时空结构的微小扭曲，但更高精度的量子传感器可能帮助科学家发现更多类型的宇宙现象。

悉尼大学纳米研究所量子控制实验室的 Christophe Valahu 博士。瓦拉胡博士站在实验中使用的离子阱前。图片来源：Fiona Wolf/悉尼大学

材料科学和基础物理研究同样可能从这一技术中获益。在量子材料研究中，科学家需要监测极其微小的物理量变化，而传统传感器往往受到量子噪声的限制。新的量子传感协议为突破这些限制提供了可能。

瓦拉胡博士对这一技术的未来发展充满期待："就像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催生全新的产业。"

国际合作推动科学前沿

这项研究成果体现了现代科学研究中国际合作的重要性。该项目汇聚了来自悉尼大学、皇家墨尔本理工大学、墨尔本大学、麦考瑞大学以及英国布里斯托大学的研究人员，展示了跨机构和跨国界合作如何加速科学发现的进程。

丁睿谭博士特别强调了合作的价值："这项工作凸显了协作的力量和推动发现的国际联系。"在量子科学这样的前沿领域，单一机构往往难以掌握所有必需的专业知识和技术资源，而国际合作能够有效整合不同团队的优势。

目前，这项技术仍处于实验室阶段，距离实际应用还需要时间。研究团队强调，他们的方法并非要取代现有的传感技术，而是在量子传感工具箱中添加一个重要的补充工具。随着技术的不断完善和工程化进展，这种量子增强传感器有望在未来几年内走出实验室，在实际应用中发挥重要作用。

该研究还为量子传感领域的进一步发展指明了方向。通过将量子计算中的纠错技术应用于传感应用，研究人员开辟了一个新的交叉研究领域，这可能催生更多创新性的量子技术应用。

随着全球在量子技术领域投入的不断增加，这类基础研究成果将成为未来量子产业发展的重要支撑。从长远来看，量子增强传感器技术的成熟将为人类探索微观世界和宏观宇宙提供更强大的工具。

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