日常生计中，测量无处不在。从成衣用皮尺量文学衣，到建筑工东说念主用卷尺丈量地皮；从厨房里用勺子量取食材，到加油站用流量计为汽车加油，这些都属于芜俚测量。咱们用这些浅显的器具和花样，得志日常生计中的基本需求。
然则，芜俚测量继续只消求取得一个大要的数值，比如用直尺测量一张纸的长度，可能精准到毫米就实足了；又或者用芜俚的体重秤测量体重，精准到千克就不错。但跟着科学技能的束缚发展，人人对测量的精度条件越来越高。举例，在机械加工中，零件的制造精度可能需要达到微米以致更高的级别，智商保证机器的平时运行；在航天工程中，卫星轨说念的测量精度平直关系到任务的成败。这就引出了一个进攻的见识——精密测量。
与芜俚测量比拟，精密测量对测量精度的条件要高得多。它不单是是通过加多测量次数或者改造测量器具来提高精度，还触及到对测量系统深入的征询和优化。精密测量是东说念主类对客不雅寰球进行深入探索的必要技巧，莫得精密测量就莫适当代科学与技能。
当代科学技能的发展离不开精密测量。从微不雅的粒子征询到宏不雅的天地探索，精密测量经久是东说念主类刚毅寰球和改良寰球的要道器具。科学征询也离不开精密的测量仪器和束缚发展的测量决策。
科学征询所用的各式测量仪器 图片开头：AI 生成
内容上，目下绝大无数的诺贝尔物理学奖的获奖效果都与精密测量的征询干系。因此，基于精密测量的干系征询被认为是离诺贝尔物理学奖最近的范围。同期，伴跟着精密测量精度的束缚提高，科学家们也在想考一个陈旧却止境久了的问题，那即是——测量决策自己是否存在精度极限？
其实，这个问题并破碎易平直回答。这是因为，回答这个问题前领先需要知说念测量决策的精度极限到底是由哪些物理学的基答应趣来决定的，只好这样，智商知说念怎么束缚地提高测量精度，从而一步风物贴近精密测量的精度极限，以致尝试打破精度极限。
日常所见的测量仪器
都存在一定的精度极度
其实，日常生计中所斗殴到的各式精密测量仪器，基本上都是属于传统的经典测量决策。举例，在工程事件顶用来测量长度的模范毫米尺，测定微米量级厚度的螺旋测微尺，以及诓骗光的过问条纹变化来杀青纳米量级测量的光学过问仪等。
螺旋测微尺，又称千分尺 图片开头：amazon
然则，关于这些经典的测量决策而言，其测量仪器自己老是存在不可幸免的技能颓势，同期，在内容使用中也会面对开发老化等问题。这就意味着，在对待测物理量进行经典测量的流程中，内容上老是会伴跟着各式测量极度的出现，而这种由于经典测量极度引起的噪声也被称为"散粒噪声"。
受到"散粒噪声"限度的经典测量决策 图片开头：参考文件 [ 1 ]
为了裁减经典测量流程中产生的"散粒噪声"，从而束缚地提高经典测量的精度，一句耳闻目染的谈话就会浮目下列位小伙伴的脑海，那即是"屡次测量取平均值"。
打个比喻，要是用相邻刻度线隔断为 1mm 的模范毫米尺，来平直测量一张 A4 纸张的着实厚度，这个测量扫尾粗犷率不准。然则，要是咱们将揣摸 10000 张相通的 A4 纸张叠放在一齐，再用模范毫米尺平直测量这一叠纸张的总厚度 L。这样一来，咱们就不错用这叠纸的总厚度 L 除以纸张的总层数 10000，从而不错平直筹划取得单张 A4 纸张的实测厚度为 L/10000。
内容上，这种进行屡次重叠的测量面容合乎数学上的统计散播规矩，何况屡次重叠测量的扫尾极度为单次测量极度的。也即是说，当咱们对待测的物理量进行 N 次的重叠测量时，想象情况下相应的测量精度也会随之提高 倍。
因此，这种束缚裁减测量流程中的"散粒噪声"而达到的精度极限，也被称为经典测量决策中的"模范量子极限"。也即是说，要是只采用经典的测量决策来测量物理量，只可通过束缚地堆叠测量资源，从而贴近所谓的"模范量子极限"。
目下，经典测量决策中最精准的测量仪器当属于闻明的激光过问引力波天文台（LIGO），它的测量精度达到惊东说念主的 10-19 米。然则，受到"模范量子极限"的表面限度，LIGO 需要使用两个长达 4 千米的光学过问腔以及高达 750 千瓦超强激光智商杀青如斯高的测量精度。
基于经典光学过问仪旨趣搭建的激光过问引力波天文台（LIGO）图片开头：参考文件 [ 2 ]
因此，科学家们但愿采用全新的量子精度测量决策，来打破经典测量决策中的"散粒噪声"限度，从而在使用更少的测量资源的前提下，达到更高的测量精度。
想测得更准？
那就使用神奇的"量子纠缠性"
跟着对微不雅量子寰球束缚深入征询，科学家们又在想考一个全新的问题，那即是怎么诓骗有限的测量资源，来贴近更高的测量精度极限，从而对隐微的待测信号杀青超高精度的测量。
为了回答这个全新的测量问题，科学家们在苦苦想索后终于寻找到了第三把"量子之尺"——量子纠缠性，让更多的微不雅粒子一齐参与到量子精密测量中，何况共同发挥自身奇妙的量子魅力。恰是诓骗了奇妙的"量子纠缠性"，科学家们智商打破传统经典测量中的"散粒噪声"限度，何况对量子精密测量深处的玄机一洽商竟。
那么，到底什么才是"量子纠缠性"呢？其实，它是存在于量子寰球中微不雅粒子之间的独到特质，因此，在人人身处的宏不雅经典寰球中难以觉察到它的存在。一般而言，当几个微不雅粒子在相互相互作用后，它们各自领有的物理属性（举例位置、动量、自旋、偏振等）就不再相互孤苦无关，而是相互关联起来何况酿成举座的性质。那么，咱们就称这几个微不雅粒子相互之间具有"量子纠缠性"。
处于量子纠缠态的一双微不雅粒子的默示图 图片开头：科技日报
这样说人人可能会以为有点详细，咱们不错举一个愈加形象直不雅的例子来讲明这种奇妙的"量子纠缠性"。
咱们不错把量子寰球中的每个微不雅粒子看作又名学生，那么这群学生各冷静家学习的时间老是会碰到一些问题，举例，学习狡计不够明确、容易开小差等，从而很难达到较高的学习服从，这种各自分散的情况就访佛于传统的经典测量决策。
然则，当这群学生王人聚到课堂中，何况在敦朴的组织下，便会在相互之间发生学习上的相互作用。这样一来，这群学生在学习上就不再各利己伍，而是行动一个班集体引发出更强的学习能源，从而提高举座的学习服从。
相通的情理，量子寰球中的每个微不雅粒子就像班级内的各个同学一样，在相互之间发挥特殊的相互作用，这即是前文所述的"量子纠缠性"的直不雅矫健。
因此，人人不难发现，"量子纠缠性"并不可平直用于形容单个微不雅粒子的物理属性，而是反应了各个微不雅粒子在相互相互作用后，所具有的集体化的量子效应。恰是诓骗这种神奇的"量子纠缠性"，科学家们智商打破前文说起的模范量子极限，从而杀青更高精度的量子精密测量决策。
那量子精密测量存在精度极限吗？
这时间，可能有酷爱的读者心里在想，既然传统的经典测量决策受限于测量流程中"散粒噪声"的制约，而存在所谓的"量子模范极限"。那按照相通的情理，量子精密测量决策是否也存在自身测量的精度极限呢？
内容上，这种诓骗微不雅粒子间的"量子纠缠性"来放大正本隐微的待测信号，从而达到更高测量精度的量子测量决策，仍然存在自身的测量精度极限。具体而言，关于处于量子纠缠态的 N 个微不雅粒子而言，其测量的极度扫尾是单个微不雅粒子情况下的 1/N，何况相应的测量精度也会提高 N 倍，从而打破正本测量精度仅为 倍的"模范量子极限"。
由于上述的这种进攻的量子精密测量极限，最早是由物理学家海森堡发现何况刻毒的，因而也被称为"海森堡极限"。
想必读到这里，人人对"模范量子极限"和"海森堡极限"两个计量学的见识运行头晕了，但是不首要，咱们只需要记取接下来的这句话即可——要想束缚地提高测量决策的测量精度，老是需要相应地加多测量流程中所需的资源。
这个情理其实也很容易矫健，毕竟"六合莫得免费的午餐"。而为了定量地形容测量精度和销耗资源的数量关系，咱们不错用数学抒发式 1/Nk 进行表现。其中，N 表现测量所需的资源（举例，经典精密测量中所需的重叠测量次数，量子精密测量中所需的量子纠缠数量等），而 k 则用来揣度不同精密测量决策的精度极限。
"模范量子极限"与"海森堡极限"所得志的精度极限扫数关系 图片开头：作家绘画
因此咱们不错进一步纪念为，"模范量子极限"对应的精度极限扫数 k=1/2，而"海森堡极限"对应的精度极限扫数 k=1。这样一来，列位读者只需要记取精度极限扫数 k，就不错比较容易地诀别"模范量子极限"和"海森堡极限"这两个计量学的进攻见识了。
总而言之，诓骗有限的测量资源来杀青更高的测量精度，一直是科学家们不懈的追求，同期亦然精密测量科学发展的进攻标的。因此，量子精密测量决策的出现，为打破传统的测量精度极限开辟了一个全新的征询标的。
参考文件
[ 1 ] HildS. Abasicintroductiontoquantumnoiseandquantum-non-demolitiontechniques [ M ] //AdvancedInterferometersandtheSearchforGravitationalWaves: LecturesfromtheFirstVESFSchoolonAdvancedDetectorsforGravitationalWaves. Cham: SpringerInternationalPublishing, 2014: 291-314. [ 2 ] ZuoC, LiJ, SunJ, etal. Transportofintensityequation: atutorial [ J ] . OpticsandLasersinEngineering, 2020, 135: 106187.
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出品丨科普中国
作家丨栾春阳 物理学博士
监制丨中国科普博览
责编丨一诺
审校丨徐来、林林
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