物理学家发现量子不确定性如何提高测量精度

科学的进步离不开更精确的测量。1927 年之前，限制测量精确度的似乎只有人类的聪明才智。海森堡（Werner Heisenberg）发现量子力学对一些同时测量的精度施加了基本限制。例如你越能确定一个粒子的位置，你就越不能确定它的动量。海森堡的不确定性原理终结了世界完全可知的梦想。在 1980 年代，物理学家开始在量子不确定性的乌云周围看到一线银边。他们发现量子力学可用来帮助测量而不是阻碍它——这是一门被称为量子计量学的学科的观点，这门学科正在不断发展。2019 年，引力波猎手使用了一种被称为量子挤压的量子计量技术，将 LIGO 探测器的灵敏度大幅度提高了 40%。其他的小组已在利用量子纠缠现象精确测量弱磁场。

但是利用量子力学提高精度的最具争议也是最违反直觉的策略被称为后选择（postselection）。在这种方法中，研究人员获取光子或光粒子，它们携带了研究人员感兴趣的系统的相关信息，然后将其中一些光子或光粒子过滤掉，过滤后剩下来的光子进入检测器。过去 15 年，使用后选择的实验非常精确地测量出了距离和角度，这表明丢弃一些光子在某种程度上是有好处的。多伦多大学的研究生 Noah Lupu-Gladstein 表示：“学界仍然在争论它有多大用处，以及后选择是否是一种真正的量子现象。”

现在 Lupu-Gladstein 和六位合著者已确定了后选择测量优势的来源。在《物理评论快报》接受发表的一篇论文中，他们将优势追溯到由于海森堡不确定性原理而在计算中出现的负数——具有讽刺意味的是，正是这一原理在其他一些情况下限制了测量的精度。研究人员表示，这种新的理解在量子物理学的不同领域之间建立了联系，并且可能在使用敏感光子探测器的实验中被证明有用。