量子压缩：下一代精密技术的关键

诸平

Fig. 1 Quantum squeezing is a breakthrough concept that refines our ability to measure with high precision by adjusting uncertainty within quantum systems. By “squeezing” one part of a measurement to reduce uncertainty, scientists can capture more accurate data on specific variables, although it means uncertainty rises in other areas. Credit: SciTechDaily.com

Fig. 2 A visual comparison between the familiar act of squeezing a balloon and the concept of quantum squeezing in a sensor. Credit: Tohoku University

据日本东北大学（Tohoku University）2024年10月28日提供的消息，量子压缩：下一代精密技术的关键（Quantum Squeezing: The Key to Next-Gen Precision Technologies）。

量子压缩（Quantum squeezing）是一种通过在系统内重新分配不确定性来提高精度的方法，已经在原子钟等技术上取得了进步。随着研究人员将其应用于更复杂的测量，这一概念有望产生更广泛的影响。

量子压缩是量子物理学中的一种技术，它可以减少系统的一个方面的不确定性，同时增加另一个方面的不确定性。想象一个充满空气的气球：当它不被碰触时，气球是完美的圆形。如果你挤压一边，它会在那个地方变平，但会向相反的方向伸展。

同样，在压缩量子态中，减少一个变量（如位置）的不确定性（或噪声）会导致相关变量（如动量）的不确定性增加。总不确定性保持不变，但以这种方式重新分配它，可以更精确地测量其中一个变量。

提高量子测量的精度(Enhancing Precision in Quantum Measurements)

这种技术已经成功地应用于只需要精确测量一个变量的情况，例如提高原子钟的精度。然而，使用挤压同时测量多个因素，如位置和动量，要复杂得多。

在最近发表在《物理评论研究》（Physical Review Research）上的一篇研究论文中，日本东北大学的Le Bin Ho博士探讨了压缩技术在提高多因素量子系统测量精度方面的有效性。分析提供了理论和数值见解，帮助在这些复杂的测量中实现最大精度的机制识别。原文详见：Le Bin Ho. Squeezing-induced quantum-enhanced multiphase estimation. Physical Review Research, 2024, 6: 033292. DOI: 10.1103/PhysRevResearch.6.033292. Published 12 September 2024. https://journals.aps.org/prresearch/abstract/10.1103/PhysRevResearch.6.033292

Le Bin Ho说：“此项研究旨在更好地理解如何将量子压缩用于更复杂的测量情况，包括对多个相位的估计。通过弄清楚如何实现最高水平的精度，我们可以为量子传感和成像的新技术突破铺平道路。”

对先进量子技术的启示(Implications for Advanced Quantum Technologies)

这项研究观察了一个三维磁场与一组相同的二能级量子系统（identical two-level quantum systems）相互作用的情况。在理想的情况下，测量的精度可以达到理论上尽可能精确的程度。然而，早期的研究一直在努力解释这是如何工作的，特别是在现实世界中，只有一个方向才能实现完全的量子纠缠。

这项研究将产生广泛的影响。通过对多元相进行更精确的量子测量，它可以显著推动各种技术的发展。例如，量子成像（quantum imaging）可以产生更清晰的图像，量子雷达（quantum radar）可以更准确地探测物体，原子钟（atomic clocks）可以变得更加精确，从而改进GPS和其他对时间敏感的技术。在生物物理学（biophysics）方面，它可能导致核磁共振等技术的进步，提高分子和细胞测量的准确性，提高用于早期检测疾病的生物传感器的灵敏度。

量子研究的未来方向(Future Directions in Quantum Research)

Le Bin Ho补充道：“我们的发现有助于更深入地理解量子传感测量精度提高背后的机制。这项研究不仅推动了量子科学的边界，而且为下一代量子技术奠定了基础。”

展望未来，Le Bin Ho希望探索这种机制如何随着不同类型的噪音而变化，并探索减少噪音的方法。本研究得到了日本学术振兴会的资助（JSPS KAKENHI Grant No. 23K13025）

'Squeezing' Increased Accuracy out of Quantum Measurements

https://www.fris.tohoku.ac.jp/en/feature/topics/detail---id-1463.html

Abstract

We investigate how squeezing techniques can improve the measurement precision in multiphase quantum metrology. While these methods are well studied and effectively used in single-phase estimations, their usage in multiphase situations has yet to be examined. We fill this gap by investigating the mechanism of quantum enhancement in the multiphase scenarios. Our analysis provides theoretical and numerical insights into the optimal condition for achieving the quantum Cramér-Rao bound, helping us understand the potential and mechanism for quantum-enhanced multiphase estimations with squeezing. In this paper, we open possibilities for advancements in quantum metrology and sensing technologies.