王涛
后选择量子测量的放大效应 (8) 弱值
2024-12-1 10:42
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        我再具体的描述一下标准的量子测量,这样一来才能理解这个叫弱值的量,我们的研究中很少讨论它,因为这是一个近似解的结果,我们讨论的集中在精确解上,这样才能看到本质性的东西。

    量子测量的问题就是,我们无法一般性的给出精确解,这导致需要对各种具体的测量问题进行计算,由于讨论的量子指针的量子态多种多样,所以这个领域思路简单,而文章就特别多。当年李刚讨论的就是精确解,我们用了相干态、压缩态、纠缠态和热态进行计算,这给当时的他的同学一个极其简单的印象,就是换个量子态算一下就可以。

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    的确就是如此。但是在细节上的确要讨论的太多了。而且,由于一直以来认为非经典性可以提升测量精度,所以各种非经典性都可以拿过来讨论一下。

    你不能说量子测量不重要,但是大部分讨论缺乏价值。

    在标准的量子测量中,也就是不对系统进行一个额外的强测量,让它塌缩到某个本征值上。我们讨论一个具体的例子,用一个量子简谐振子来测量一个量子比特。量子比特有两个结果,这会导致量子简谐振子的位置发生两个变化,这是同时的,量子塌缩还没有发生。然后有一个宏观的读取测量结果的装置,然后量子塌缩发生了,量子简谐振子就只有一个位置,量子比特也塌缩到了一个本征态上。

    量子塌缩怎么发生的,我们至今不清楚,非常诡异的事情。我画了一个示意图。在测量的过程中,很多学过量子力学的以为,测量就是直接导致所测量的系统的量子态发生塌缩。这个只是结果,实际上可以有一个测量链(这个是海森堡提出来的),只有最后的宏观测量才导致塌缩。研究量子测量,是研究前边这两个部分,至于塌缩怎么出现的,就不管了。最后的部分,就是量子力学的基本原理,测量假说。不同的测量结果有不同的概率,我们可以计算出来。

    前边的量子比特是不会变的,除非你研究的是别的问题。后边的量子塌缩不需要考虑。所以这里边的关键就是这个量子指针,可以是各种指针。如果是量子简谐振子,就可以是各种量子态。量子测量研究的就是这个。

    一般来说,先讨论的是相干态,然后增加非经典性,讨论压缩态。但是很显然,即使是一个热态,也是可以的,只要能作用就可以。在一些情况下,热态不作用。但是这种情况,在几乎所有的研究中都几乎被忽略了。非经典性到来的测量精度增益,必须比相干态和热态都要高,才行。如果进行计算,你会发现,大部分非经典性,都不会带来更好的测量精度。

    然后就是这个作用强度。不同的强度g,导致简谐振子发生不同的位移x。这里边要注意,一是量子比特的本征值,和简谐振子的位置移动产生一对一的关系,二是简谐振子的位移大小由作用强度g来决定。

    如果作用很强,那么位移就会很大,测量装置就会得到明确的测量结果,测量出来就是测量量的本征值。但是如果作用很弱,那么位移就会很小,区分不出来,测量装置也就没有什么信号。

    但是加上后选择以后,这个量子比特塌缩到了和后选择前几乎正交的量子态上,这就导致这个量子简谐振子一下子发生了一个很大的变化。然后测量装置就一下子测量出来了一个结果!但是这不是本征值。

    所以在后选择的文献中,经常会看到这样的一个描述,就是后选择会导致一个弱值,这个弱值超出了测量量的本征值谱。后来这个测量仪器测量出来的就是弱值。因为标准测量,也就是不进行后选择,测量就是本征值,但是作用太小,测不出来。但是一扰动以后,就测出来一个结果,很显然超出了本征值的范围,这个结果,就叫弱值。

   

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