量子纠缠为GPS等提供了前所未有的精度

时间:2020-04-23 17:51 来源:seo 作者:小可爱科技知识网 点击量:

量子纠缠为GPS等提供了前所未有的精度

你手机上的GPS、家里的Wi-Fi和飞机上的通讯都是由射频波(RF)提供能量的,它将信息从一个发射机传送到另一个传感器。传感器以不同的方式解释这些信息。例如,GPS传感器利用接收射频波的角度来确定自身的相对位置。它越精确地测量角度,就越能准确地确定位置。

在《物理评论快报》上发表的一篇新论文中,亚利桑那大学工程与光学科学研究人员与通用动力任务系统的工程师合作,演示了如何将两种技术——射频光子学传感和量子计量学——结合起来,使传感器网络达到前所未有的精确度。这项工作包括将信息从电子传递到光子,然后利用量子纠缠来增强光子的感知能力。

材料科学与工程与光学科学助理教授、该校量子信息与材料组首席研究员张哲申(音)说:“这种量子传感模式可以创造机会来改善GPS系统、天文实验室和生物医学成像能力。”“它可以用于改善任何需要传感器网络的应用程序的性能。”

从电子到光子

传统的天线传感器将信息从射频信号转换成由移动电子组成的电流。然而,利用光子或光的单位来传输信息的光学传感,效率要高得多。光子不仅比电子能存储更多的数据,从而使信号的带宽更大,而且基于光子的传感比基于电子的传感能将信号传输得更远,而且干扰更小。

由于光学信号具有许多优点,研究人员使用一种电光传感器将射频波转换成光学域,这种方法称为射频光子学传感。

“我们在一个完全不同的领域设计了一个光学系统和物理量之间的桥梁,”张解释说。“我们在这个实验中演示了射频领域,但是这个想法也可以应用于其他场景。例如,如果你想用光子来测量温度,你可以使用热光学传感器将温度转换成光学性质。”

量子纠缠为GPS等提供了前所未有的精度

纠缠的传感器

在将信息转换到光学领域后,研究人员应用了一种叫做量子计量学的技术。通常,传感器的精度受到所谓的标准量子极限的限制。例如,智能手机GPS系统通常在16英尺半径范围内精确定位。量子计量学使用纠缠粒子来突破标准的量子极限,并进行超灵敏的测量。

它是如何工作的?纠缠的粒子被捆绑在一起,所以一个粒子发生的任何事情也会影响它所纠缠的粒子,只要采取适当的测量。

想象一个主管和一个员工在一个项目中一起工作。由于员工通过电子邮件和会议等方式与上司分享信息需要时间,因此他们之间的合作效率有限。但如果这两个人能把他们的大脑缠在一起,员工和主管就能自动节省同样的信息时间,让他们更有效地共同解决一个共同的问题。

量子计量学已经被用于提高传感器的精度,比如激光干涉引力波天文台(LIGO),它为天文学家打开了一扇新的窗户。然而,几乎所有先前的量子计量演示,包括LIGO,只涉及一个传感器。

连接传感器网络

射频波通常由一个传感器网络接收,每个传感器单独处理信息——更像是一组独立的员工和他们的主管一起工作。电子与计算机工程助理教授庄群涛此前演示了一个理论框架,通过组合纠缠传感器来提高性能。

这个新实验首次证明了一个由三个传感器组成的网络可以互相缠绕在一起,这意味着它们都能从探测器接收到信息,并同时相互关联。这更像是一组员工可以与他们的老板即时共享信息,而老板之间也可以即时共享这些信息,从而使他们的工作流程非常高效。

“通常,在一个复杂的系统中,例如无线通信网络,甚至是我们的手机,不仅仅是一个传感器,而是一组传感器共同工作来完成一项任务,”张说。“我们已经开发了一种技术来缠绕这些传感器,而不是让它们单独操作。它们可以利用它们的纠缠在感知期间互相‘交谈’,这可以显著提高感知性能。”

虽然该实验只使用了三个传感器,但它为将该技术应用于数百个传感器网络的可能性打开了大门。

“想象一下,例如,一个生物传感网络:你可以把这些生物传感器缠在一起,这样它们就可以一起识别生物分子的种类,或者比传统的传感器阵列更精确地检测神经活动,”张说。“实际上,这项技术可以应用到任何需要传感器阵列或网络的应用中。”

一个潜在的应用是建立在亚利桑那大学校园内的纠缠光子网络。在《物理评论》2019年发表的一篇理论论文中,庄介绍了机器学习技术如何训练像这样的大型纠缠传感器网络中的传感器进行超精确测量。

庄说:“纠缠允许传感器更精确地从被感知的参数中提取特征,从而在诸如传感器数据分类和主成分分析等机器学习任务中获得更好的性能。”“我们之前的工作提供了一种纠缠增强机器学习系统的理论设计,该系统的性能优于经典系统。”

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