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量子糾纏可以將GPS定位精度提升到一個新的水平

發布日期: 2020-04-29
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量子糾纏可以將GPS定位精度提升到一個新的水平



量子糾纏可以將GPS定位精度提升到一個新的水平

“我們在完全不同的領域中設計了光學系統和物理量之間的橋梁,” Zheshen Zhang解釋說。(來源:蓋蒂圖片社)

2020年4月20日,艾米麗·迪克曼(AMILY DIECKMAN)-亞利桑那州發布

亞利桑那大學研究人員報告說,量子糾纏可以幫助以前所未有的靈敏度和準確性檢測無線電頻率。

手機的GPS,房屋內的WiFi和飛機上的通訊都由射頻波或RF波供電,這些射頻波或RF波將信息從一個點的發射器傳遞到另一個點的傳感器。傳感器以不同的方式解釋此信息。例如,GPS傳感器通過使用從衛星接收信號所花費的時間來確定其位置。對于室內定位和消除欺騙性GPS信號等應用,無線傳感器可測量其接收RF波的角度。傳感器可以越精確地測量此時間延遲或到達角度,就可以越準確地確定位置或增強安全性。

在《Physical Review Letters》中的一篇論文中,研究人員演示了射頻光子傳感和量子計量這兩種技術的組合如何為傳感器網絡提供前所未有的精度。

研究涉及將信息從電子轉移到光子,然后使用量子糾纏來提高光子的傳感能力。“這種量子傳感范例可以為改善GPS系統,天文學實驗室和生物醫學成像能力創造機會。”。亞利桑那大學材料科學、工程學和光學科學的助理教授,量子信息和材料小組首席研究員Zheshen Zhang說。“它可用于提高任何需要傳感器網絡的應用程序的性能。”

從電子到光

傳統的天線傳感器將信息從RF信號轉換為由移動電子組成的電流。但是,使用光子或光單位來承載信息的光學傳感要高效得多。

光子不僅可以比電子保存更多的數據,從而為信號提供更大的帶寬,而且基于光子的傳感可以比基于電子的傳感傳輸更遠的信號,并且干擾更少。由于光信號具有許多優點,因此研究人員使用電光換能器以一種稱為RF光子傳感的方法將RF波轉換為光域。

“我們在完全不同的領域中設計了光學系統和物理量之間的橋梁,” Zhang解釋說。“在本實驗中,我們通過RF域進行了演示,但該想法也可以應用于其他情況。例如,如果要使用光子測量溫度,則可以使用熱光傳感器將溫度轉換為光學性質。”

打破量子糾纏

將信息轉換到光域后,研究人員應用了一種稱為量子計量的技術。

通常,傳感器的精度受到稱為標準量子極限的限制。例如,智能手機GPS系統通常在16英尺半徑內是準確的。量子計量學使用糾纏的粒子突破標準量子極限并進行超靈敏的測量。

它是如何工作的?糾纏的粒子綁在一起,因此只要采取適當的測量,一個粒子發生的任何事情都會影響它糾纏的粒子。

想象一個主管和一個員工在一個項目上一起工作。由于員工通過電子郵件和會議之類的方法與主管共享信息需要花費時間,因此其合作效率受到限制。但是,如果兩者能夠糾纏在一起,員工和主管將自動擁有相同的信息-節省時間并允許他們更有效地共同解決一個常見問題。

量子計量學已被用于提高激光干涉儀重力波天文臺或LIGO 等場所的傳感器精度,這為天文學家打開了新的窗口。但是,幾乎所有以前的量子計量學演示,包括LIGO,都只涉及一個傳感器。

傳感器網絡

但是,RF波通常由傳感器網絡接收,每個傳感器網絡都單獨處理信息-更像是一群與主管一起工作的獨立員工。電氣和計算機工程助理教授莊群濤(Tuntao Zhuang)之前演示了一個理論框架,可通過組合糾纏傳感器來提高性能。

這項新實驗首次證明,研究人員可以將三個傳感器組成的網絡相互纏結,這意味著他們都從探測器接收信息并同時將它們相互關聯。這更像是一組員工可以立即與老板共享信息,而老板可以立即彼此共享信息,從而使他們的工作流程超高效。

“通常,在一個復雜的系統中(例如,一個無線通信網絡甚至是我們的手機),不僅有一個傳感器,而且還有一組協同工作以執行任務的傳感器,”張說。

“我們已經開發出一種技術來糾纏這些傳感器,而不是讓它們單獨運行。他們可以在感應期間利用糾纏彼此“交談”,這可以顯著提高感應性能。”

雖然實驗僅使用了三個傳感器,但為將技術應用于數百個傳感器的網絡打開了大門。“例如,想象一下一個用于生物傳感的網絡:您可以糾纏這些生物傳感器,以便它們可以一起識別生物分子的種類,或者比傳統的傳感器陣列更精確地檢測神經活動,”張說。“確實,該技術可以應用于需要傳感器陣列或傳感器網絡的任何應用。”

在2019年《物理評論X》上發表的理論工作中,Zhuang展示了機器學習技術如何在像這樣的大規模糾纏傳感器網絡中訓練傳感器以進行超精確測量。

“纏結使傳感器能夠從要檢測的參數中更精確地提取特征,從而在諸如傳感器數據分類和主成分分析之類的機器學習任務中實現更好的性能,” Zhuang說。“我們以前的工作提供了優于經典系統的糾纏增強型機器學習系統的理論設計。”

其他合著者來自亞利桑那大學和通用動力任務系統公司。


來源:?網電空間戰


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