所有的量子态都可以用粒子数态,也叫Fock态,来表示。所以用粒子数态来描述量子指针的量子态,就是一个非常方面的数学技巧,方便计算,也能帮助我们理解后选择量子测量。
2011年Simon和Polzik利用这个观点对后选择进行了讨论。他们把量子指针用量子简谐振子的基态∣0>来表示。在一般的观念中,如果用量子简谐振子作为量子指针来进行测量,会让简谐振子处于基态。
这篇文章,一下子让后选择量子测量的研究变得简单。虽然看起来很容易,但是在这之前很少这么用。以前一直用一个高斯函数来进行计算。用粒子数态这么算,就很容易用各种量子态来讨论后选择弱测量。因为任何量子态都可以用粒子数态来表示,剩下就是计算了。
经过一个平移操作以后,但是非常小,就变成了一个相干态,但是距离真空的位置非常小。如果用粒子数态来展开,就会发现展开项几乎都是粒子数为0的态,然后剩下的最重要的就是粒子数为1的态。如果后选择,就会让粒子数为0的态的概率变得很小,和粒子数为1的态几乎差不多,这个粒子数为0的态和粒子数为1的态的叠加就是后选择产生的量子态。和前边的基态已经非常不同了。当比例相同的时候,就是放大效果最好的情况,这个时候的位置的移动正好就是一个涨落。
这就是后选择量子放大的秘密。
这个结论实际上对于任何的粒子数态都是成立的。粒子数态〡N>在位置方向的涨落是基态涨落的根号下2N+1倍。这个发生后选择后,就变成了粒子数为N的态和粒子数为N+1的态的叠加,当几率一样的时候,位移变化最大,也是基态涨落的根号下2N+1倍。
任何粒子数态做量子指针,后选择下的最大的位移和粒子数态的涨落都是一样的。这是一个很神奇的事情,当我们理解这一点的时候,非常让我们震惊。但是这事情,似乎整个后选择的研究者在开始的时候都不是很清楚。
但是在推广到一般的量子态时,我们还不会计算这个结果。
所以粒子数态,有着更大的涨落,更适合作为后选择的量子指针的测量态。但是这不意味着经典性提升了测量的精度,也不意味着非经典性更有利于放大效果。
这是一个非常有意思的事情。这个放大的机制,从粒子数态来看,好像真的是粒子数态导致的。这就在于你怎么理解了。因为粒子数态可以构成纯态,也可以构成热态。而热态是一个经典态。除非我们对于经典性和非经典型的区分有更深刻的理解。
在量子力学中,粒子数态就是一个非经典性非常强的态,因为这个态粒子数涨落为0,相角涨落为最大值2π。但是它的位置和动量的涨落都很大,所以不适合做量子指针,虽然它的非经典性非常强。
但是有了后选择以后,我们就能看到,这个大的涨落反而是一个巨大有点,不但会更好的放大信号,也会更好的提升测量精度。
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