Использование квантовых эффектов для достижения высокоточных измерений.Квантовая метрология — это наука об использовании квантово-механических свойств, таких как суперпозиция, запутанность и сжатие, для достижения точности измерений, превосходящей пределы классической физики. В классических измерениях точность улучшается пропорционально квадратному корню из числа используемых частиц, но квантовые корреляции могут преодолеть этот барьер, достигая так называемого предела Хайзенберга, где точность масштабируется линейно с числом частиц. Это позволяет измерять время, частоту, фазу и другие величины с исключительной точностью.
Теоретические основы были заложены в 1980-х годах Карлтоном Кейвсом, который показал, как сжатый свет может улучшить детекторы гравитационных волн, и с тех пор область развивалась благодаря достижениям в квантовой оптике и атомной физике.
Ключевая идея заключается в подготовке квантового состояния, высокочувствительного к измеряемому параметру. Например, в интерферометре пучок света можно разделить на два пути, и разность фаз между ними раскрывает интересующую величину. Вводя «сжатое» состояние света, в котором неопределённость одной квадратуры уменьшается за счёт другой, можно сделать измерение фазы более точным, чем с обычным лазерным светом. Аналогично, запутанные частицы можно использовать для измерения коллективного свойства с меньшим шумом, чем независимые частицы.
Квантовая метрология уже используется в атомных часах, определяющих секунду, и является критически важным компонентом обсерваторий гравитационных волн, таких как LIGO, где сжатый свет повышает чувствительность к ряби пространства-времени.
Самые точные измерения, когда-либо выполненные, — измерения частот атомных переходов — основаны на квантовой метрологии и достигают неопределённости менее одной части на 10^18, что эквивалентно потере или приобретению одной секунды за время существования Вселенной.
