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从量子测量中提取顺序最终通过实验显示

  • 科学
  • 2020-09-07 08:14:51
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在物理学中,必须能够在实际的物理实验中显示出理论假设。一百多年来,物理学家已经意识到系统中无序的概念与通过测量获得的信息之间的联系。但是,到目前为止,在常见的受监视系统(即随时间不断进行测量的系统)中,对此链接没有进行干净的实验评估。

但是现在,哥本哈根大学尼尔斯·波尔研究所的研究人员使用振动的机械膜“量子鼓”实现了一种实验装置,该装置显示了疾病与测量结果之间的物理相互作用。最重要的是,这些结果可以从混乱无序的系统中提取命令,从而提供一种工程化系统状态的通用工具,这对于诸如量子计算机之类的未来量子技术至关重要。结果现已作为《物理评论快报》中的编辑建议发表。

测量将始终对它测量的任何系统造成一定程度的干扰。在普通的物理世界中,这通常是无关紧要的,因为对于我们来说,很可能在不注意干扰的情况下测量桌子的长度。但是在量子尺度上,就像尼尔斯·波尔研究所的施利瑟实验室中使用的膜的运动一样,测量带来的干扰后果也是巨大的。这些大的扰动会增加底层系统的熵或无序度,并且显然无法从测量中提取任何阶数。但是在解释最近的实验是如何实现这一点之前,熵和热力学的概念需要说几句话。

破蛋是热力学

热力学定律涵盖了极其复杂的过程。典型的例子是,如果鸡蛋从桌子上掉下来,它将在地板上破裂。在碰撞中,在许多其他物理过程中会产生热量,如果您想像自己可以控制所有这些复杂的过程,则物理定律中没有任何内容表明您无法逆转该过程。换句话说,如果我们能够控制每个原子的行为并逆转该过程,那么鸡蛋实际上可能会自行组装并再次飞向桌面。理论上是可能的。

您也可以将鸡蛋视为有序的系统,如果它破裂,则将变得极为混乱。物理学家说,熵(无序的数量)已经增加。热力学定律告诉我们,疾病实际上总是会增加,而不是反过来:鸡蛋通常不会跳下地板,不会在现实世界中聚集并落在桌子上。

正确的量子系统读数是必不可少的,而且众所周知很难获得

如果我们转向量子力学,世界看起来就大不相同了。如果我们连续地测量机械运动系统(例如“膜-鼓”)(图1)的位移,其精度仅受量子定律的限制,则这种测量会严重干扰运动。因此,您最终将要测量在测量过程本身中受到干扰的位移,并且原始位移的读数将被破坏-除非您也可以测量引入的混乱。

在这种情况下,您可以使用有关无序的信息来减少测量产生的熵并从中生成顺序,这与控制破碎的鸡蛋系统中的无序相比。但是这一次我们也获得了有关位移的信息,因此我们沿途了解了整个系统的一些知识,并且至关重要的是,我们可以使用膜的原始振动,即正确的读数。

理解量子系统中熵的广义框架

“热力学和量子测量之间的联系已经有一个多世纪的历史了。但是,在连续测量的背景下,迄今为止尚缺乏对此链接的实验评估。这正是我们在该实验中所做的。我们必须了解测量如何在量子系统中产生熵和无序,以及如何使用它来控制将来从诸如量子计算机之类的量子系统中获得的读数,这绝对至关重要。

如果我们无法控制干扰,那么我们基本上将无法理解读数-量子计算机的读数将变得难以辨认,而且毫无用处。”博士生兼第一作者Massimiliano Rossi说“该框架很重要,它为我们理解量子尺度上的熵产生系统奠定了广泛的基础。基本上,这是这项研究适合物理学中更大范围事物的地方。”

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