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物理學(xué)家開(kāi)發(fā)了一種“量子秒表” - 一種在量子記憶中存儲(chǔ)時(shí)間（以量子時(shí)鐘狀態(tài)的形式）的方法。在這樣做時(shí)，該方法避免了在測(cè)量事件序列的持續(xù)時(shí)間時(shí)通常發(fā)生的錯(cuò)誤累積。通過(guò)這種方式，量子秒表提高了量子水平測(cè)量時(shí)間的準(zhǔn)確度，這對(duì)于GPS，天文學(xué)研究和分布式計(jì)算等應(yīng)用至關(guān)重要。

來(lái)自香港，牛津和名古屋的物理學(xué)家楊玉祥，朱利奧奇里貝拉和Masahito Hayashi在最近一期“皇家學(xué)會(huì)學(xué)報(bào)”A期刊上發(fā)表了一篇關(guān)于量子秒表技術(shù)的論文。

正如物理學(xué)家在他們的論文中解釋的那樣，當(dāng)談到進(jìn)行高度精確的時(shí)間測(cè)量時(shí)，由于技術(shù)原因，一些時(shí)鐘比其他時(shí)鐘更好。但是所有鐘表 - 無(wú)論結(jié)構(gòu)如何精良 - 都受到基本量子限制的影響，這種限制源于海森堡的不確定性原理。由于這個(gè)量子限制，較大的時(shí)鐘具有較小的測(cè)量誤差，但沒(méi)有時(shí)鐘可以如此之大以至于完全沒(méi)有錯(cuò)誤。

作為該限制的結(jié)果，當(dāng)一個(gè)或多個(gè)時(shí)鐘進(jìn)行多次時(shí)間測(cè)量時(shí) - 例如，當(dāng)測(cè)量一系列事件的總持續(xù)時(shí)間時(shí) - 則誤差累積。這導(dǎo)致不準(zhǔn)確性隨著測(cè)量次數(shù)線(xiàn)性增長(zhǎng)。

量子秒表方法通過(guò)將時(shí)鐘狀態(tài)（通常由許多相同的原子或離子組成）轉(zhuǎn)移到量子計(jì)算機(jī)的存儲(chǔ)器來(lái)解決該問(wèn)題。然后，計(jì)算機(jī)處理所有數(shù)據(jù)，并僅使用單次測(cè)量確定時(shí)間間隔的長(zhǎng)度。結(jié)果，唯一的錯(cuò)誤是由于測(cè)量一個(gè)時(shí)鐘而產(chǎn)生的錯(cuò)誤。

“量子秒表引入了一種新的，更準(zhǔn)確的時(shí)間信息處理方式，”Chiribella告訴Phys.org?！耙郧?，大多數(shù)人認(rèn)為量子時(shí)鐘的唯一應(yīng)用是提供有關(guān)時(shí)間的精確，經(jīng)典的信息。時(shí)鐘是量子的，但輸出是純粹的經(jīng)典信息，可以存儲(chǔ)到經(jīng)典計(jì)算機(jī)的存儲(chǔ)器中。秒表，我們知道以量子形式維護(hù)時(shí)間信息可以大大減少錯(cuò)誤。道德是：當(dāng)我們想要結(jié)合不同的時(shí)間信息時(shí)，這些信息最好是量子的?！?/p>

這種想法的挑戰(zhàn)之一是將大量信息存儲(chǔ)在量子存儲(chǔ)器中是非常困難的，這導(dǎo)致存儲(chǔ)時(shí)間需要多少存儲(chǔ)器的問(wèn)題。物理學(xué)家在他們的論文中推導(dǎo)出一種“量子記憶界限”，它決定了存儲(chǔ)器以一定精度存儲(chǔ)時(shí)鐘狀態(tài)所需的最小量子位數(shù)。

總的來(lái)說(shuō)，物理學(xué)家希望通過(guò)展示量子計(jì)算機(jī)可以用來(lái)提高時(shí)間測(cè)量的準(zhǔn)確性，量子秒表將為量子計(jì)算機(jī)的發(fā)展提供額外的動(dòng)力。他們期望實(shí)驗(yàn)性地實(shí)現(xiàn)量子秒表方法的最大挑戰(zhàn)之一將是以高精度編碼和解碼狀態(tài)。在進(jìn)一步改進(jìn)之后，量子秒表方法可以具有各種新的應(yīng)用。

“一個(gè)令人興奮的應(yīng)用領(lǐng)域是量子時(shí)鐘網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展，”Chiribella說(shuō)?！跋胂笠幌拢S多量子時(shí)鐘位于太空中的不同位置，并且可以通過(guò)量子通信鏈路相互通信。通過(guò)將信息從一個(gè)時(shí)鐘傳輸?shù)搅硪粋€(gè)時(shí)鐘，我們可以大大提高網(wǎng)絡(luò)中時(shí)間測(cè)量的準(zhǔn)確性。例如，我們可以測(cè)量時(shí)鐘的平均滴答頻率，如果時(shí)鐘沒(méi)有彼此連接那么精度是不可能的。從長(zhǎng)遠(yuǎn)來(lái)看，這些應(yīng)用可能導(dǎo)致量子增強(qiáng)的GPS技術(shù)，它可以定位精度超出當(dāng)前GPS設(shè)備精度的物體。”
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