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量子反作用规避测量负质量参考系中的运动。

Quantum back-action-evading measurement of motion in a negative mass reference frame.

机构信息

Niels Bohr Institute, University of Copenhagen, DK-2100 Copenhagen, Denmark.

Institute for Electronic Structure and Laser, Foundation for Research and Technology-Hellas, Heraklion 71110, Greece.

出版信息

Nature. 2017 Jul 12;547(7662):191-195. doi: 10.1038/nature22980.

DOI:10.1038/nature22980
PMID:28703182
Abstract

Quantum mechanics dictates that a continuous measurement of the position of an object imposes a random quantum back-action (QBA) perturbation on its momentum. This randomness translates with time into position uncertainty, thus leading to the well known uncertainty on the measurement of motion. As a consequence of this randomness, and in accordance with the Heisenberg uncertainty principle, the QBA puts a limitation-the so-called standard quantum limit-on the precision of sensing of position, velocity and acceleration. Here we show that QBA on a macroscopic mechanical oscillator can be evaded if the measurement of motion is conducted in the reference frame of an atomic spin oscillator. The collective quantum measurement on this hybrid system of two distant and disparate oscillators is performed with light. The mechanical oscillator is a vibrational 'drum' mode of a millimetre-sized dielectric membrane, and the spin oscillator is an atomic ensemble in a magnetic field. The spin oriented along the field corresponds to an energetically inverted spin population and realizes a negative-effective-mass oscillator, while the opposite orientation corresponds to an oscillator with positive effective mass. The QBA is suppressed by -1.8 decibels in the negative-mass setting and enhanced by 2.4 decibels in the positive-mass case. This hybrid quantum system paves the way to entanglement generation and distant quantum communication between mechanical and spin systems and to sensing of force, motion and gravity beyond the standard quantum limit.

摘要

量子力学表明,对物体位置的连续测量会对其动量施加随机量子反作用(QBA)扰动。这种随机性随着时间的推移转化为位置不确定性,从而导致众所周知的运动测量不确定性。由于这种随机性,并根据海森堡不确定性原理,QBA 对位置、速度和加速度的传感精度施加了限制——即所谓的标准量子极限。在这里,我们表明,如果运动测量是在原子自旋振荡器的参考系中进行的,则可以避免宏观机械振荡器上的 QBA。通过光对两个遥远且不同的振荡器的混合系统进行集体量子测量。机械振荡器是毫米尺寸介电膜的振动“鼓”模式,而自旋振荡器是磁场中的原子集合。沿场取向的自旋对应于能量反转的自旋群体,并实现了负有效质量振荡器,而相反的取向对应于具有正有效质量的振荡器。在负质量设置下,QBA 被抑制了-1.8 分贝,而在正质量情况下则增强了 2.4 分贝。这种混合量子系统为机械和自旋系统之间的纠缠生成和远程量子通信以及超越标准量子极限的力、运动和重力传感铺平了道路。

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