นักวิทยาศาสตร์พบว่าคุณสมบัติทางกายภาพที่เรียกว่า ‘quantum negativity’ สามารถใช้ในการวัดทุกอย่างได้แม่นยำยิ่งขึ้น ตั้งแต่ระยะทางโมเลกุลไปจนถึงคลื่นโน้มถ่วง
เราได้แสดงให้เห็นว่าการกรองอนุภาคควอนตัมสามารถรวมข้อมูลของอนุภาคนับล้านให้เป็นหนึ่งได้
David Arvidsson-Shukur
นักวิจัยจากมหาวิทยาลัยเคมบริดจ์ ฮาร์วาร์ด และ MIT ได้แสดงให้เห็นว่าอนุภาคควอนตัมสามารถพกพาข้อมูลจำนวนไม่จำกัดเกี่ยวกับสิ่งที่พวกเขามีปฏิสัมพันธ์ด้วย ผลลัพธ์ที่ รายงานในวารสาร Nature Communicationsสามารถช่วยให้การวัดที่แม่นยำยิ่งขึ้นและขับเคลื่อนเทคโนโลยีใหม่ ๆ เช่นกล้องจุลทรรศน์ที่มีความแม่นยำสูงและคอมพิวเตอร์ควอนตัม
มาตรวิทยาเป็นศาสตร์แห่งการประมาณค่าและการวัด ถ้าคุณชั่งน้ำหนักตัวเองเมื่อเช้านี้ แสดงว่าคุณทำมาตรวิทยาแล้ว เช่นเดียวกับการคำนวณควอนตัมที่คาดว่าจะปฏิวัติวิธีการคำนวณที่ซับซ้อน มาตรวิทยาควอนตัมโดยใช้พฤติกรรมแปลก ๆ ของอนุภาคย่อยอาจปฏิวัติวิธีที่เราวัดสิ่งต่างๆ
เราใช้ในการจัดการกับความน่าจะเป็นที่มีตั้งแต่ 0% (ไม่เคยเกิดขึ้น) ถึง 100% (เกิดขึ้นเสมอ) อย่างไรก็ตาม เพื่ออธิบายผลลัพธ์จากโลกควอนตัม แนวคิดเรื่องความน่าจะเป็นจำเป็นต้องขยายให้ครอบคลุมสิ่งที่เรียกว่าความน่าจะเป็นเสมือน ซึ่งอาจเป็นผลลบได้ ความน่าจะเป็นเสมือนนี้ช่วยให้แนวคิดควอนตัมเช่น ‘การกระทำที่น่ากลัวในระยะไกล’ ของ Einstein และความเป็นคู่ของอนุภาคคลื่นสามารถอธิบายได้ในภาษาทางคณิตศาสตร์ที่ใช้งานง่าย ตัวอย่างเช่น ความน่าจะเป็นที่อะตอมจะอยู่ที่ตำแหน่งใดตำแหน่งหนึ่งและเดินทางด้วยความเร็วเฉพาะอาจเป็นจำนวนลบ เช่น –5%
การทดลองที่อธิบายต้องใช้ความน่าจะเป็นเชิงลบกล่าวว่ามี ‘การปฏิเสธควอนตัม’ นักวิทยาศาสตร์ได้แสดงให้เห็นว่าการปฏิเสธควอนตัมนี้สามารถช่วยให้การวัดที่แม่นยำยิ่งขึ้น
มาตรวิทยาทั้งหมดต้องการโพรบ ซึ่งอาจเป็นเครื่องชั่งน้ำหนักหรือเทอร์โมมิเตอร์แบบธรรมดาก็ได้ อย่างไรก็ตาม ในมาตรวิทยาที่ล้ำสมัย หัววัดเป็นอนุภาคควอนตัม ซึ่งสามารถควบคุมได้ที่ระดับย่อยของอะตอม อนุภาคควอนตัมเหล่านี้ทำขึ้นเพื่อโต้ตอบกับสิ่งที่กำลังวัด จากนั้นอนุภาคจะถูกวิเคราะห์โดยอุปกรณ์ตรวจจับ
ในทางทฤษฎี ยิ่งมีอนุภาคที่ตรวจจับได้มากเท่าใด อุปกรณ์ตรวจจับก็จะยิ่งมีข้อมูลมากขึ้นเท่านั้น แต่ในทางปฏิบัติ มีการกำหนดอัตราที่อุปกรณ์ตรวจจับสามารถวิเคราะห์อนุภาคได้ เช่นเดียวกับในชีวิตประจำวัน: การสวมแว่นกันแดดสามารถกรองแสงส่วนเกินและปรับปรุงการมองเห็น แต่มีข้อจำกัดว่าการกรองสามารถปรับปรุงการมองเห็นของเราได้มากเพียงใด การสวมแว่นกันแดดที่มืดเกินไปนั้นเป็นอันตราย
ดร. David Arvidsson-Shukur จาก Cambridge’s Cavendish Laboratory และ Sarah Woodhead Fellow ที่ Girton กล่าวว่า “เราได้ดัดแปลงเครื่องมือจากทฤษฎีข้อมูลมาตรฐานไปสู่ความน่าจะเป็นเสมือน และแสดงให้เห็นว่าการกรองอนุภาคควอนตัมสามารถรวมข้อมูลของอนุภาคนับล้านให้เป็นหนึ่งเดียว วิทยาลัย. “นั่นหมายความว่าอุปกรณ์ตรวจจับสามารถทำงานได้ในอัตราการไหลเข้าที่เหมาะสมในขณะที่รับข้อมูลที่สอดคล้องกับอัตราที่สูงกว่ามาก สิ่งนี้เป็นสิ่งต้องห้ามตามทฤษฎีความน่าจะเป็นปกติ แต่การปฏิเสธควอนตัมทำให้เป็นไปได้”
กลุ่มทดลองที่มหาวิทยาลัยโตรอนโตได้เริ่มสร้างเทคโนโลยีเพื่อใช้ผลทางทฤษฎีใหม่เหล่านี้แล้ว เป้าหมายของพวกเขาคือการสร้างอุปกรณ์ควอนตัมที่ใช้แสงเลเซอร์โฟตอนเดียวเพื่อให้การวัดส่วนประกอบทางแสงที่แม่นยำอย่างไม่น่าเชื่อ การวัดดังกล่าวมีความสำคัญต่อการสร้างเทคโนโลยีใหม่ขั้นสูง เช่น คอมพิวเตอร์ควอนตัมโฟโตนิก
Arvidsson-Shukur กล่าวว่า “การค้นพบของเราทำให้เกิดวิธีใหม่ที่น่าตื่นเต้นในการใช้ปรากฏการณ์ควอนตัมพื้นฐานในการใช้งานจริง
มาตรวิทยาควอนตัมสามารถปรับปรุงการวัดสิ่งต่าง ๆ รวมถึงระยะทาง มุม อุณหภูมิ และสนามแม่เหล็ก การวัดที่แม่นยำยิ่งขึ้นเหล่านี้สามารถนำไปสู่เทคโนโลยีที่ดีขึ้นและเร็วขึ้น แต่ยังรวมถึงทรัพยากรที่ดีขึ้นในการสำรวจฟิสิกส์พื้นฐานและปรับปรุงความเข้าใจของเราเกี่ยวกับจักรวาล ตัวอย่างเช่น เทคโนโลยีหลายอย่างอาศัยการจัดตำแหน่งส่วนประกอบที่แม่นยำ หรือความสามารถในการรับรู้การเปลี่ยนแปลงเล็กๆ น้อยๆ ในสนามไฟฟ้าหรือสนามแม่เหล็ก ความแม่นยำที่สูงขึ้นในการจัดตำแหน่งกระจกสามารถช่วยให้กล้องจุลทรรศน์หรือกล้องโทรทรรศน์มีความแม่นยำมากขึ้น และวิธีวัดสนามแม่เหล็กของโลกที่ดีขึ้นสามารถนำไปสู่เครื่องมือนำทางที่ดีขึ้นได้
ปัจจุบันมาตรวิทยาควอนตัมใช้เพื่อปรับปรุงความแม่นยำของการตรวจจับคลื่นโน้มถ่วงในหอดูดาว LIGO Hanford ที่ได้รับรางวัลโนเบล แต่สำหรับการใช้งานส่วนใหญ่ มาตรวิทยาควอนตัมมีราคาแพงเกินไปและไม่สามารถทำได้ด้วยเทคโนโลยีปัจจุบัน ผลลัพธ์ที่ตีพิมพ์ใหม่นี้เป็นวิธีที่ถูกกว่าในการทำมาตรวิทยาควอนตัม
“นักวิทยาศาสตร์มักพูดว่า ‘ไม่มีสิ่งที่เรียกว่าอาหารกลางวันฟรี’ ซึ่งหมายความว่าคุณไม่สามารถรับอะไรได้เลยหากคุณไม่ต้องการจ่ายราคาคำนวณ” อเล็กซานเดอร์ ลาเส็ก ผู้เขียนร่วมซึ่งเป็นผู้สมัครระดับปริญญาเอกของห้องปฏิบัติการคาเวนดิชกล่าว “อย่างไรก็ตาม ในมาตรวิทยาควอนตัม ราคานี้สามารถทำให้ต่ำได้ตามอำเภอใจ มันขัดกับสัญชาตญาณอย่างมาก และน่าทึ่งจริงๆ!”
Dr. Nicole Yunger Halpern ผู้เขียนร่วมและ ITAMP Postdoctoral Fellow แห่งมหาวิทยาลัยฮาร์วาร์ดกล่าวว่า “การคูณทุก ๆ วันเป็นการทดเวลา: หกคูณเจ็ดเท่ากับเจ็ดคูณหก ทฤษฎีควอนตัมเกี่ยวข้องกับการคูณที่ไม่เปลี่ยนรูป การขาดการสับเปลี่ยนทำให้เราปรับปรุงมาตรวิทยาโดยใช้ฟิสิกส์ควอนตัม
“ฟิสิกส์ควอนตัมช่วยปรับปรุงมาตรวิทยา การคำนวณ การเข้ารหัส และอื่นๆ อีกมากมาย แต่การพิสูจน์อย่างจริงจังว่ามันทำได้ยาก เราแสดงให้เห็นว่าฟิสิกส์ควอนตัมช่วยให้เราสามารถดึงข้อมูลจากการทดลองมากกว่าที่เราจะทำได้ด้วยฟิสิกส์คลาสสิกเท่านั้น กุญแจสำคัญในการพิสูจน์คือความน่าจะเป็นแบบควอนตัม ซึ่งเป็นวัตถุทางคณิตศาสตร์ที่คล้ายกับความน่าจะเป็น แต่สามารถสันนิษฐานได้ว่าเป็นค่าลบและไม่ใช่ค่าจริง”
อ้างอิง:
David RM Arvidsson-Shukur et al. ‘ ข้อได้เปรียบของควอนตัมในมาตรวิทยา postelected ‘ การสื่อสารธรรมชาติ (2020). ดอย: 10.1038/s41467-020-17559-w
