Kvantum roncsolásmentes mérések

A kvantumroncsolásmentes mérés a kvantumrendszer olyan speciális mérési fajtája , amelyben a mért kvantum-megfigyelhető bizonytalansága nem növekszik a mért értékéhez képest a rendszer későbbi normális fejlődése során. Ezek szükségszerűen megkövetelik, hogy a mérési folyamat megőrizze a mért rendszer fizikai integritását, és emellett követelményeket támaszt a becsült megfigyelhető értékek és a rendszer saját Hamilton-rendszere közötti kapcsolatra vonatkozóan. Bizonyos értelemben a SOI-k a „klasszikus” és a legkevésbé zavaró mérési típusok a kvantummechanikában.

A legtöbb, egyetlen részecske érzékelésére és helyzetének mérésére alkalmas eszköz a mérési folyamat során nagymértékben megváltoztatja a részecske állapotát a térben, például a fotonok tönkremennek, amikor egy képernyőt érnek. Ezenkívül egy mérés egyszerűen megjósolhatatlan módon megváltoztathatja a részecske állapotát; akkor a második mérés, akármilyen hamar az első után, nem garantálja, hogy a részecske ugyanazon a helyen van. Még az ideális, "első típusú" projektív méréseknél is, amelyekben a részecske közvetlenül a mérés után a mért sajátállapotban van, a részecske ezt követő szabad evolúciója gyorsan növekvő helyzetbeli bizonytalanságot okoz.

Ellenkezőleg, egy szabad részecske impulzusának (és nem helyzetének) mérése lehet SOI, mert az impulzus-eloszlás megmarad a saját Hamilton- p 2 /2 m -es részecske esetében . Mivel a szabad részecske Hamilton-ja az impulzusoperátorral ingázik, ezért az impulzussajátállapot is energiasajátállapot, így az impulzusmérés után a bizonytalansága a szabad evolúció miatt nem növekszik.

Vegye figyelembe, hogy a "nem roncsoló" kifejezés nem jelenti azt, hogy a hullámfüggvény nem omlik össze .

A SOI-t rendkívül nehéz kísérletileg végrehajtani. A SOI-kutatások nagy részét az a cél vezérelte, hogy a gravitációs hullámok kísérleti detektálása során túllépjék a standard kvantumhatár által meghatározott pontosságot [1] . A SOI-t a kvantumszámításban is lehet használni .

A SOI általános elméletét Braginsky , Voroncov és Thorn [2] mutatta be Braginsky [3] [4] , Caves, Drever, Hollenhort, Khalili, Sandberg, Thorn, Unruh, Vorontsov és Zimmerman számos elméleti munkája után .

Műszaki meghatározás

Jelölje a megfigyelhető valamely rendszerre a saját Hamilton- rendszerével . A rendszer mérése a műszerrel történik , amely a Hamilton-féle kölcsönhatáson keresztül csak rövid időre kapcsolódik. Vagyis a rendszer szabadon fejlődik a szerint . A pontos mérés az, amelyet a globális állapot közelítésként ad meg : $A$ $\mathcal{S}$ $H_{\mathcal {S))$ $\mathcal{S}$ $\mathcal{R}$ $\mathcal{S}$ $H_{\mathcal {RS}}$ ${\mathcal {S))$ $H_{\mathcal {S))$ $A$ $\mathcal{S}$ $\mathcal{R}$

\vert \psi \rangle \approx \sum _{i}\vert A_{i}\rangle _{\mathcal {S}}\vert R_{i}\rangle _{\mathcal {R}}

ahol a lehetséges mérési eredményeknek megfelelő sajátvektorok , és az ezeket rögzítő mérőeszköz állapotának megfelelő értékei. $\vert A_{i}\rangle _{\mathcal {S))$ $A$ $\vert R_{i}\rangle _{\mathcal {R))$

A megfigyelhető időfüggése a Heisenberg-reprezentációban:

A(t)=e^{-itH_{\mathcal {S}}}Ae^{+itH_{\mathcal {S}}}.

Egy mérési sorozatot akkor és csak akkor nevezünk SOI-nak , ha bármely mérési momentum megfigyelhető értékeinek kommutátora nulla: [ 2 ] $A$

[A(t_{n}),A(t_{m})]=0

bármely pillanatban és a mérések során. $t_{n}$ $t_{m}$

Ha ezt a tulajdonságot megőrizzük tetszőleges idő és időválasztáshoz , akkor ezt "folyamatos THD-változónak" nevezzük. Ha ez csak bizonyos diszkrét időkre igaz, akkor ezt "SOI stroboszkópikus változónak" nevezik. $t_{n}$ $t_{m}$ $A$ $A$

Például egy szabad részecske esetében az energia és az impulzus megmarad, és valóban folyamatos SOI megfigyelhető, de a koordináta nem. Másrészt egy harmonikus oszcillátor esetében a helyzet és az impulzus kielégíti az időperiodikus kommutációs relációkat, amelyekből következik, hogy x és p nem folytonos SOI megfigyelhető. Ha azonban egész számú félciklussal elválasztott időpontban végezünk méréseket ( ), a kommutátorok ennek következtében eltűnnek. Ez azt jelenti, hogy x és p SOI stroboszkópikus megfigyelhető értékek. $\tau _{k}={\frac {k}{2\nu }}$

Vita

Megfigyelhető , amely a szabad evolúció alatt megmarad $A$

{\frac {\mathrm {d} }{\mathrm {d} t}}A(t)=-{\frac {i}{\hbar }}[H_{\mathcal {S}},A ]=0,

automatikusan egy THD változó. Az ideális projektív mérések sorrendje automatikusan SOI mérés lesz. $A$

Az atomi rendszereken végzett QND mérések elvégzéséhez a mérési erő (sebesség) versenyez a mérések visszahatása által okozott optikai csillapítással . [5] Az emberek általában optikai vastagságot vagy kooperativitást használnak a mérési teljesítmény és az optikai csillapítás közötti relatív kapcsolat jellemzésére. A nanofotonikus hullámvezetőket kvantuminterfészként használva lehetőség nyílik a viszonylag gyenge térerősségű atomok csatolásának tényleges felhasználására [6] , és ezáltal megnövelt pontosságú kvantummérés elvégzésére kisszámú zavarás mellett a berendezés működésében. kvantumrendszer.

Kritika

Bebizonyosodott, hogy a "SOI" kifejezés semmit sem ad hozzá az erős kvantummérés szokásos fogalmához, ráadásul zavaró is lehet a "pusztítás" szó két különböző jelentése miatt egy kvantumrendszerben ( a kvantumállapot vs a részecske elvesztése). [7]

Kísérletek

2020. március 2-án vált ismertté a kísérlet, amelynek során először sikerült egy elektron spinállapotának kvantum-roncsolásmentes mérését kvantumpontban szilíciumban végezni [8] .

Jegyzetek

↑ Rudenko V. N., Dodonov V. V., Manko V. I. Nem zavaró mérés egy gravitációs hullámkísérletben Archív másolat 2022. március 16-án a Wayback Machine -nél // Letters to the Journal of Experimental and Theoretical Physics. - 1980. - T. 78, 3. sz. - S. 881-896.
↑ 1 2 Braginsky , V. Quantum Nondemolition Measurements // Tudomány . - 1980. - 1. évf. 209 , sz. 4456 . - P. 547-557 . - doi : 10.1126/tudomány.209.4456.547 . - . — PMID 17756820 .
↑ Braginsky V. B. , Vorontsov Yu . _ 41–53. (1974)
↑ Braginszkij V. B., Voroncov Yu . - 1977. - T. 73, 10. sz. - S. 1340-1343.
↑ Qi, Xiaodong; Baragiola, Ben Q.; Jessen, Poul S.; Deutsch, Ivan H. Egy optikai nanoszál felülete közelében csapdába ejtett atomok diszperzív válasza kvantumbontás nélküli méréssel és spin-sajtolással // Physical Review A : Journal . - 2016. - Kt. 93. sz . 2 . — P. 023817 . - doi : 10.1103/PhysRevA.93.023817 . — . - arXiv : 1509.02625 .
↑ Qi, Xiaodong; Jau, Yuan-Yu; Deutsch, Ivan H. Enhanced cooperativity for quantum-nondemolition-measurement-induced spin squeeing of atoms coupled to an nanophotonic waveguide // Physical Review A : Journal . - 2018. - Kt. 97 , sz. 3 . — P. 033829 . - doi : 10.1103/PhysRevA.93.033829 . — . — arXiv : 1712.02916 .
↑ Monroe, C. Demolishing Quantum Nondemolition // Physics Today : magazin . - 2011. - 20. évf. 64 , sz. 1 . — 8. o . - doi : 10.1063/1.3541926 . — Iránykód . Az eredetiből archiválva: 2013. április 15.
↑ J. Yoneda, K. Takeda, A. Noiri, T. Nakajima, S. Li, J. Kamioka, T. Kodera és S. Tarucha Szilíciumban lévő elektronpörgés kvantum-bontás nélküli leolvasása Archiválva : 2020. március 6., Wayback Gép // Nature Communications, 11. kötet, Cikkszám: 1144 (2020)

Linkek

Kvantum roncsolásmentes mérések archiválva : 2020. május 15. a Wayback Machine -nél // Fizikai enciklopédia
A Physicsworld cikke archiválva : 2012. február 17., a Wayback Machine -nél
Kvantuminformáció mérése azok megsemmisítése nélkül Archiválva : 2012. január 28. a Wayback Machine -nél
Fotonok számolása megsemmisítésük nélkül Archiválva : 2012. február 11. a Wayback Machine -nél