Tuhoamattomat kvanttimittaukset

Tuhoamattomat kvanttimittaukset ovat kvanttijärjestelmän erikoismittauksia , joissa mitatun kvanttihavainnon epävarmuus ei kasva sen mitatusta arvosta järjestelmän myöhemmän normaalin evoluution aikana. Ne edellyttävät välttämättä, että mittausprosessi säilyttää mitattavan järjestelmän fyysisen eheyden ja lisäksi asettavat vaatimuksia arvioitujen havaintojen ja järjestelmän oman Hamiltonin väliselle suhteelle. Eräässä mielessä SOI:t ovat "klassinen" ja vähiten häiritsevä mittaustyyppi kvanttimekaniikassa.

Useimmat laitteet, jotka pystyvät havaitsemaan yhden hiukkasen ja mittaamaan sen paikan, muuttavat suuresti hiukkasen tilaa avaruudessa mittausprosessin aikana, esimerkiksi fotonit tuhoutuvat osuessaan näyttöön. Myös mittaus voi yksinkertaisesti muuttaa hiukkasen tilaa arvaamattomalla tavalla; sitten toinen mittaus, riippumatta siitä kuinka pian ensimmäisen jälkeen, ei takaa, että hiukkanen on samassa paikassa. Jopa ihanteellisissa, "ensimmäisen tyyppisissä" projektiivisissä mittauksissa , joissa hiukkanen on mitatussa ominaistilassa välittömästi mittauksen jälkeen, hiukkasen myöhempi vapaa evoluutio aiheuttaa nopeasti kasvavan epävarmuuden sijainnissa.

Päinvastoin, vapaan hiukkasen liikemäärän (eikä aseman) mittaus voi olla SOI, koska liikemääräjakauma säilyy hiukkaselle, jolla on oma Hamiltonin p 2 /2 m . Koska vapaan hiukkasen Hamiltonin kommuteeraa liikemäärä-operaattorin kanssa, liikemäärän ominaistila on myös energian ominaistila, joten liikemäärän mittauksen jälkeen sen epävarmuus ei kasva vapaan evoluution vuoksi.

Huomaa, että termi "tuhoamaton" ei tarkoita, että aaltofunktio ei romahtaisi .

SOI on erittäin vaikea suorittaa kokeellisesti. Suuri osa SOI-tutkimuksesta on ohjannut tavoitetta ylittää standardin kvanttirajan asettama tarkkuus gravitaatioaaltojen kokeellisessa havaitsemisessa [1] . SOI:ta on mahdollista käyttää myös kvanttilaskennassa .

SOI:n yleisteorian esittivät Braginsky , Vorontsov ja Thorn [2] useiden Braginskyn [3] [4] , Cavesin, Dreverin, Hollenhortin, Khalilin, Sandbergin, Thornin, Unruhin, Vorontsovin ja Zimmermanin teoreettisten teosten jälkeen.

Tekninen määritelmä

Merkitään havaittavalla jollekin järjestelmälle , jolla on oma Hamiltonin . Järjestelmää mitataan instrumentilla , joka on kytketty Hamiltonin vuorovaikutuksen kautta vain lyhyiksi hetkiksi. Eli järjestelmä kehittyy vapaasti . Tarkka mitta on se, jonka globaali tila antaa likiarvona: $A$ $\mathcal{S}$ $H_{\mathcal {S))$ $\mathcal{S}$ $\mathcal{R}$ $\mathcal{S}$ $H_{\mathcal {RS}}$ ${\mathcal {S))$ $H_{\mathcal {S))$ $A$ $\mathcal{S}$ $\mathcal{R}$

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

missä ovat mahdollisia mittaustuloksia vastaavat ominaisvektorit ja ne tallentavan mittauslaitteen tilan vastaavat arvot. $\vert A_{i}\rangle _{\mathcal {S))$ $A$ $\vert R_{i}\rangle _{\mathcal {R))$

Havaittavan riippuvuus ajasta Heisenbergin esityksessä:

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

Mittaussarjaa kutsutaan SOI :ksi , jos ja vain jos minkä tahansa mittaushetken havaittavissa olevien arvojen kommutaattori on nolla: [2] $A$

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

milloin tahansa ja mittausten aikana. $t_{n}$ $t_{m}$

Jos tämä ominaisuus säilytetään mielivaltaisen valinnan ajaksi ja , sitä kutsutaan "jatkuvaksi THD-muuttujaksi". Jos tämä pätee vain tiettyihin erillisiin aikoihin, sitä kutsutaan "SOI-stroboskooppiseksi muuttujaksi". $t_{n}$ $t_{m}$ $A$ $A$

Esimerkiksi vapaan hiukkasen tapauksessa energia ja liikemäärä säilyvät ja ovat todellakin jatkuvia SOI-havaintoja, mutta koordinaatti ei. Toisaalta harmonisen oskillaattorin kohdalla paikka ja liikemäärä täyttävät aikajaksolliset kommutaatiosuhteet, jotka viittaavat siihen, että x ja p eivät ole jatkuvia SOI-havaintoja. Kuitenkin, jos mittauksia tehdään puolijaksojen kokonaislukujen ( ) erottamina aikoina, kommutaattorit katoavat tämän seurauksena. Tämä tarkoittaa, että x ja p ovat SOI:n stroboskooppisia havaintoja. $\tau _{k}={\frac {k}{2\nu }}$

Keskustelu

Havaittava , joka säilyy vapaan evoluution alla $A$

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

on automaattisesti THD-muuttuja. Ihanteellisten projektiivisten mittausten sarja on automaattisesti SOI-mittauksia. $A$

QND-mittausten suorittamiseksi atomijärjestelmissä mittausvoima (nopeus) kilpailee mittausten takaisintoiminnan aiheuttaman optisen vaimenemisen kanssa. [5] Ihmiset käyttävät yleensä optista paksuutta tai yhteistoiminnallisuutta kuvaamaan mittaustehon ja optisen vaimenemisen välistä suhteellista suhdetta. Käyttämällä nanofotonisia aaltoputkia kvanttirajapintana on mahdollista käyttää atomien kytkentää suhteellisen heikon kentän kanssa [6] ja siten suorittaa kvanttimittaus tarkkuudella pienellä määrällä häiriöitä laitteen toiminnassa. kvanttijärjestelmä.

Kritiikki

On todistettu, että termin "SOI" käyttö ei lisää mitään tavanomaiseen vahvan kvanttimittauksen käsitteeseen, ja lisäksi se voi olla hämmentävää, koska sanalla "tuho" on kaksi eri merkitystä kvanttijärjestelmässä ( kvanttitila vs hiukkasen menetys). [7]

Kokeilut

2. maaliskuuta 2020 tuli tunnetuksi kokeesta, jonka aikana suoritettiin ensimmäistä kertaa onnistuneesti kvantti- tuhoinen kvanttimittaus elektronin spin - tilasta kvanttipisteessä piissä [8] .

Muistiinpanot

↑ Rudenko V. N., Dodonov V. V., Manko V. I. Häiritsemätön mittaus gravitaatioaaltokokeessa Arkistokopio päivätty 16. maaliskuuta 2022 Wayback Machinessa // Letters to the Journal of Experimental and Theoretical Physics. - 1980. - T. 78, nro 3. - S. 881-896.
↑ 1 2 Braginsky , V. Quantum Nondemolition Measurements // Tiede . - 1980. - Voi. 209 , no. 4456 . - s. 547-557 . - doi : 10.1126/tiede.209.4456.547 . - . — PMID 17756820 .
↑ Braginsky V. B. , Vorontsov Yu . _ 41–53 (1974)
↑ Braginsky V. B., Vorontsov Yu . - 1977. - T. 73, nro 10. - S. 1340-1343.
↑ Qi, Xiaodong; Baragiola, Ben Q.; Jessen, Poul S.; Deutsch, Ivan H. Optisen nanokuidun pinnan lähellä loukkuun jääneiden atomien dispersiivinen vaste kvanttipurkumittauksen ja spin-puristamisen sovelluksilla // Physical Review A : Journal . - 2016. - Vol. 93 , ei. 2 . — P. 023817 . - doi : 10.1103/PhysRevA.93.023817 . — . - arXiv : 1509.02625 .
↑ Qi, Xiaodong; Jau, Yuan-Yu; Deutsch, Ivan H. Tehostettu yhteistoiminta nanofotoniseen aaltoputkeen kytkettyjen atomien kvantti-ei-purku-induced spin puristamiseen // Physical Review A : Journal . - 2018. - Vol. 97 , no. 3 . — P. 033829 . - doi : 10.1103/PhysRevA.93.033829 . — . — arXiv : 1712.02916 .
↑ Monroe, C. Demolishing Quantum Nondemolition // Physics Today : aikakauslehti . - 2011. - Voi. 64 , nro. 1 . — s. 8 . - doi : 10.1063/1.3541926 . — . Arkistoitu alkuperäisestä 15. huhtikuuta 2013.
↑ J. Yoneda, K. Takeda, A. Noiri, T. Nakajima, S. Li, J. Kamioka, T. Kodera & S. Tarucha Piin elektronin spinin kvantti- purkamaton lukema Arkistoitu 6. maaliskuuta 2020 Waybackissa Machine // Nature Communications, osa 11, artikkelinumero: 1144 (2020)

Linkit

Tuhoamattomat kvanttimittaukset Arkistoitu 15. toukokuuta 2020 Wayback Machinessa // Encyclopedia of Physics
Physicsworld-artikkeli Arkistoitu 17. helmikuuta 2012 Wayback Machinessa
Kvanttitiedon mittaaminen tuhoamatta sitä Arkistoitu 28. tammikuuta 2012 Wayback Machinessa
Fotonien laskeminen tuhoamatta niitä Arkistoitu 11. helmikuuta 2012 Wayback Machinessa