과학적 진보는 더 나은 측정에서 분리 할 수 없었습니다.
1927 년 이전에는 인간의 독창성만이 우리가 얼마나 정확하게 사물을 측정 할 수 있는지 제한하는 것처럼 보였습니다. 그런 다음 Werner Heisenberg는 양자 역학이 일부 동시 측정의 정밀도에 대한 기본 제한을 부과한다는 것을 발견했습니다. 예를 들어 입자의 위치를 더 잘 고정시킬수록 운동량에 관한 것이 덜 확신 할 수 있습니다. Heisenberg의 불확실성 원칙은 완벽하게 알고있는 세계의 꿈을 끝내게되었습니다.
1980 년대에 물리학 자들은 양자 불확실성의 구름 주위에 은색 안감을 엿보기 시작했습니다. 양자 역학은 측정을 방해하기보다는 측정을 돕기 위해 활용 될 수 있습니다. 2019 년에 중력파 사냥꾼은 Quantum Squeing이라는 양자 계측 기술을 사용하여 40%만큼 Ligo 탐지기의 민감도를 향상 시켰습니다. 다른 그룹은 약한 자기장을 정확하게 측정하기 위해 양자 얽힘 현상을 사용했습니다.
그러나 정밀도를 높이기 위해 양자 역학을 이용하기위한 가장 논란의 여지가 있고 반 직관적 인 전략을 초 선택이라고합니다. 이 접근법에서 연구자들은 일부 관심 시스템에 대한 정보를 전달하고 그 중 일부를 필터링하는 광자 또는 빛의 입자를 복용합니다. 이 필터링에서 살아남은 광자는 탐지기로 들어갑니다. 지난 15 년 동안, 사후 선택을 사용한 실험은 거리와 각도를 매우 정확하게 측정하여 광자 폐기가 어떻게 든 유익하다는 것을 시사합니다. 토론토 대학교의 대학원생 인 노아 루푸 글래스타인 (Noah Lupu-Gladstein)은“커뮤니티는 여전히 그것이 얼마나 유용하고 [사후 선택]이 진정으로 양자 현상인지에 대해 논의합니다.
이제 Lupu-Gladstein과 6 명의 공동 저자가 선택된 측정에서 이점의 원천을 지적했습니다. Physical Review Letters 에 출판 된 논문에서 , 그들은 Heisenberg의 불확실성 원칙으로 인해 계산에서 발생하는 음수에 대한 이점을 추적합니다. 아이러니하게도 다른 상황에서 측정 정밀도를 제한하는 것과 동일한 규칙입니다.
.연구원들은 새로운 이해가 양자 물리학의 이질적인 영역 사이의 연결을 강화하고 민감한 광자 탐지기를 사용하는 실험에 유용 할 수 있다고 말합니다.
.이 논문은“매우 흥미 롭다”고 프랑스 릴 대학의 수학 물리학자인 Stephan de Bievre는이 연구에 관여하지 않았다고 말했다. "그것은이 부정성을 일종의 추상적 인 것, 구체적인 측정 절차와 연결합니다."
작업 부하 감소
양을 매우 정확하게 측정하기 위해 물리학 자들은 종종 위상 시프트라고 불리는 파도의 피크에서 변화를 찾습니다. 예를 들어, 그들은 두 거울 사이의 변화하는 거리를 결정하고, 지나가는 중력파가 시공간에 잠시 뒤틀 렸음을 나타냅니다. 그들은 먼저 거울 사이를 오가는 레이저 빔을 보냅니다. 하나의 거울의 변위는 레이저 빛의 피크를 이동시킵니다. 물리학 자들은 시스템을 떠나는 빛을 감지 하여이 위상 변화를 측정합니다.
그러나 빛은 총체적으로 파도처럼 행동하는 개별 광자로 구성됩니다. 물리학자가 감지하는 각 광자는 빛의 위상 이동 (따라서 거울 변위)에 대한 불완전한 정보를 제공합니다. 따라서 정확한 추정치는 개별 광자의 많은 측정을 평균해야합니다. 양자 계측의 목표는 광자 당 얻은 정보를 늘려서 작업량을 줄이는 것입니다.
이후에이를 달성하는 방법은 미스터리였습니다. 새로운 논문은 방법을 보여줍니다.
부정적인 기회
양자 역학에서 입자를 정의하는 방정식은 그것이 어디에 있는지 또는 정확히 얼마나 빨리 진행되는지를 정확히 말하지 않습니다. 대신, 입자를 관찰 할 수있는 위치의 확률 분포와 운동량의 가능한 값에 대한 다른 확률 분포를 제공합니다. 그러나 Heisenberg의 불확실성 원리는 위치와 운동량 (및 기타 특성 쌍)의 정확한 동시 측정을 방해한다는 것을 상기하십시오. 즉, 두 가지 확률 분포를 곱하여 고전적인 확률 이론에서 할 수있는 방법, 위치와 모멘텀의 다른 조합의 가능성을 나타내는 "조인트 확률 분포"를 얻을 수 없습니다. De Bievre는“두 가지 관찰 가능성의 공동 확률을 정의하려고하면 모든 지옥이 느슨해집니다.
대신, 양자 확률은보다 복잡한 방식으로 결합됩니다. 1933 년 미국 물리학 자 존 커크 우드 (John Kirkwood)와 1945 년 영국 물리학 자 폴 디락 (Paul Dirac)에 의해 독립적으로 파생 된 한 가지 접근법은 확률이 양수가되어야한다는 일반적인 규칙을 위반함으로써 양자 특성의 다른 조합의 확률을 정의한다. Kirkwood-Dirac“Quasiprobability”분포에서, 일부 특성 조합이 부정적인 기회가있는 것처럼.
2020 년, 현재 메릴랜드 대학교 (University of Maryland)에있는 니콜 유거 할퍼 (Nicole Yunger Halpern) 케임브리지 대학교 (University of Cambridge)의 데이비드 아르비드슨 슈 쿠르 (David Arvidsson-Shukur)는 현재 메릴랜드 대학교 (University of Maryland)에 있으며 4 명의 다른 이론가들은 Kirkwood-DIRAC 분포를 사용하여 양자 계측 실험을 설명하기위한 프레임 워크를 개발했습니다. 이를 통해 사후 선택 중에 양자 이점이 어떻게 발생할 수 있는지 탐구 할 수있었습니다.
Arvidsson-Shukur와 Yunger Halpern은 토론토의 실험가들과 협력하여 모델을 더욱 발전 시켰습니다. 새로운 논문에서, 그들은 Kirkwood-DIRAC 분포의 부정성과 사후 선택 실험에서 검출 된 광자 당 얻은 정보 사이의 정량적 관계를 도출했습니다. 그들은 부정적인 것, 즉 광자의 측정 된 특성이 불확실성 원칙과 관련이 없으며, Kirkwood-Dirac 분포는 긍정적 인 상태를 유지한다는 것을 보여 주었다. 그러나 부정성이 높은 경우 정보 게인이 촬영됩니다. 원칙적으로 단일 포스트 선택한 광자 만 사용하여 아무리 작더라도 모든 위상 전환을 해결할 수 있습니다.
.실험 에서이 아이디어를 테스트하기 위해 연구원들은 얇은 석영 슬래브를 통해 레이저를 보냈습니다. 목표는 그 각도를 정확하게 추정하는 것이 었습니다. 물리학자는 편광에 민감한 광학 성분을 사용하여 광자를 필터링하여 편광에 따라 검출기로 또는 멀리 떨어 뜨 렸습니다.
위치와 운동량과 마찬가지로, 분극의 다른 방향은 불확실성 원리와 관련이 있습니다. 광자가 x 을 따라 얼마나 정확하게 측정할수록 더 정확하게 측정합니다. 예를 들어, y 를 따라 분극에 대한 확신이 적습니다. -중심선. 따라서 실험가는 서로에 대한 광학 성분의 축을 회전시킴으로써 측정에서 불확실성의 양을 변화시킬 수 있으며, 따라서 Kirkwood-Dirac 분포의 부정성을 변화시킬 수있다. 회전은 또한 어떤 광자가 우편 선택되었는지에 영향을 미쳤다.
많은 다른 구성에서 실험을 반복함으로써, 그들은 각각의 검출 된 광자로부터 얻은 슬래브의 각도에 대한 정보가 그들의 이론이 예측 한 것처럼 부정성 정도에 따라 선형으로 증가했음을 보여 주었다.
.무료 점심 없음
부정성을 극대화하면 개별 광자가 더 유익하게 만들어 지지만, 이는 또한 광자 수가 더 선택되는 것을 의미합니다. 광자가 선택 후 살아남을 확률은 Kirkwood-Dirac 분포의 요소의 합에 달려 있습니다. 부정성이 높은 분포에서, 음성 및 양성 준 절제 기능은 거의 상쇄되며, 그 광자는 거의 검출기에이를 만듭니다. 감지 된 광자 당 정보가 증가한 정보와 이러한 광자가 줄어든다는 점은 사후 선택이 실험에서 모든 광자가 운반하는 총 정보의 양을 증가시키지 않도록 보장합니다. Lupu-Gladstein은“우리는 무료 점심을 얻지 못하고 있습니다. 그러나 우리는 우리가 지불 한 점심을 먹고 있습니다.”
.그럼에도 불구하고 일부 실험은 사후 선택을 사용하여 모든 관련 정보를 소수의 광자에 집중시키는 데 도움이됩니다. 최첨단 탐지기는 종종 너무 많은 광자에 한 번에 노출 될 때 과부하가 발생합니다. 사후 선택은 이러한 탐지기가 처리 할 수있는 약한 조명을 주스하는 역할을 할 수 있습니다.
오레곤 대학교의 양자 물리학자인 마이클 레이머 (Michael Raymer)는“이 연구는 광학 측정의 민감도에 대한 새로운 통찰력을 제공한다”고 말했다. 그러나 그는 사후 선택의 이점의 기원을 해석하는 다른 방법이있을 수 있다고 경고합니다.
.최근, Yunger Halpern과 다른 이론가들은 Kirkwood-Dirac 부정성이 양자 열역학 및 블랙홀에서의 빠른 정보를 포함하는 빠른 정보를 포함한 계측 외에 맥락에서 양자 행동의 기초가 있음을 보여 주었다. 연구원들은이 영역들 사이의 다리가 더 많은 통찰력이나 대도적 이점을 촉진 할 수 있다고 말합니다.
Lupu-Gladstein은“이 작품에 대한 나의 주요 희망 중 하나는 이제 블랙홀을 공부하는 사람들을위한 수문을 열어주는 것입니다.
