近日，芬蘭阿爾托大學(xué)、瑞士蘇黎世聯(lián)邦理工工學(xué)院、俄羅斯莫斯科物理技術(shù)學(xué)院的科研人員組成的一支科研團(tuán)隊(duì)挑戰(zhàn)了極限，提出一種采用量子系統(tǒng)測(cè)量磁場(chǎng)的方法，精確度超過(guò)了標(biāo)準(zhǔn)量子極限。

背景

我們測(cè)量事物的精確程度是有限的。拿X光圖像來(lái)說(shuō)，它就很可能是模糊不清的，而且只有專家醫(yī)師才可以恰當(dāng)?shù)亟庾x。不同組織之間的反差很小，但是可以通過(guò)更長(zhǎng)的曝光時(shí)間、更高的照射強(qiáng)度來(lái)改善，或者也可以通過(guò)拍攝幾張圖像并疊加它們的方法來(lái)改善。

一個(gè)公認(rèn)的經(jīng)驗(yàn)法則就是所謂的“標(biāo)準(zhǔn)量子極限”：測(cè)量的精確度與可用資源的平方根成反比。換句話說(shuō)，你采用的資源（時(shí)間、輻射功率、圖像數(shù)量等）越多，你的測(cè)量就越精確。然而，這只能讓你的認(rèn)識(shí)達(dá)到這種程度：極度的精確意味著要采用極多的資源。

創(chuàng)新

近日，芬蘭阿爾托大學(xué)（Aalto University）、瑞士蘇黎世聯(lián)邦理工工學(xué)院（ETH Zurich）、俄羅斯莫斯科物理技術(shù)學(xué)院（MIPT）的科研人員組成的一支科研團(tuán)隊(duì)挑戰(zhàn)了極限，提出一種采用量子系統(tǒng)測(cè)量磁場(chǎng)的方法，精確度超過(guò)了標(biāo)準(zhǔn)量子極限。他們的論文發(fā)表于負(fù)有盛名的雜志《 npj Quantum Information 》。

實(shí)驗(yàn)儀器配置圖

（圖片來(lái)源：參考資料【2】）

技術(shù)

從硅芯片上鋁帶釋放出的人造原子可用于檢測(cè)磁場(chǎng)

（圖片來(lái)源：Babi Brasileiro /芬蘭阿爾托大學(xué)）

當(dāng)設(shè)備被冷卻至極低溫度時(shí)，不可思議的事情發(fā)生了：電流在其中的流動(dòng)沒有受到任何阻擋，并開始表現(xiàn)出類似那些真實(shí)原子的量子力學(xué)特性。

當(dāng)采用微波脈沖（與家用微波爐中的微波不同）輻照時(shí)，人造原子的狀態(tài)發(fā)生了變化。結(jié)果表明，這種變化取決于外部施加的磁場(chǎng)：通過(guò)測(cè)量原子，你就可以計(jì)算出磁場(chǎng)。

但是為了超越標(biāo)準(zhǔn)量子極限，必須采用另一個(gè)方法，也就是采用一項(xiàng)與機(jī)器學(xué)習(xí)一個(gè)廣泛應(yīng)用的分支相似的技術(shù)：模式識(shí)別。

來(lái)自 ETH Zurich 的通訊作者，現(xiàn)工作于俄羅斯莫斯科MIPT 的Andrey Lebedev表示：“我們采用了一種自適應(yīng)技術(shù)。首先，我們展開測(cè)量，然后根據(jù)測(cè)量結(jié)果，讓我們的模式識(shí)別算法決定如何改變下一步采用的控制參數(shù)，從而實(shí)現(xiàn)最快速的磁場(chǎng)測(cè)量。”

磁場(chǎng)感測(cè)：限定在算法的連續(xù)步驟中的概率分布（研究中采用的兩種算法分別以紅色和藍(lán)色表示），帶來(lái)磁通量值的精準(zhǔn)識(shí)別。綠色曲線是標(biāo)準(zhǔn)的量子極限分布，背景是設(shè)備的干涉圖樣特征。

（圖片來(lái)源：Sergey Danilin 和 Sorin Paraoanu/芬蘭阿爾托大學(xué)）

價(jià)值