新型量子电路:能检测到最微弱的无线电信号!
IntelligentThin 2019-03-09 23:14

导读


近日,荷兰代尔夫特理工大学的研究人员们开发出一种量子电路,使他们可以通过量子力学听到最微弱的无线电信号。


背景


在生活中,我们都有过被“无线电信号差(或者说微弱)”烦扰的经历:在汽车中播放的最喜爱的歌曲变成了噪音,离wifi路由器太远以至于无法打开邮件。一般来说,我们的解决方案就是增强信号,例如选择其他无线电台,或者移动到卧室中离路由器近的一侧。可是,如果我们能够更加仔细地检测信号,或许情况就会不同。



无线电信号差,不仅阻碍人们寻找最喜爱的无线电台,也为医院中的磁共振成像(MRI)扫描仪,以及科学家们探索太空采用的望远镜带来了挑战。


创新


近日,荷兰代尔夫特理工大学的研究人员们开发出一种量子电路,使得他们可以通过量子力学检测到最微弱的无线电信号。


1x1 cm 的量子芯片(图片来源:代尔夫特理工大学)


这种新型量子电路为射电天文学和医学(磁共振成像)等领域的未来应用打开了大门,也使研究人员们能通过实验进一步揭示量子力学与引力之间的相互作用。


技术


这是无线电频率检测方面的一次量子性的“飞跃”。代尔夫特理工大学教授 Gary Steele 课题组的研究人员们展示了如何检测光子或者能量量子,即量子力学中的最微弱信号。


在经典物理中,能量是连续变化的,可以取任意值。然而,量子力学中存在着一个奇怪的预测:能量会表现出不连续的离散性质,其中最小的单位称为“量子”。


这意味着什么?首席研究员 Mario Gely 解释道:“例如,我推着一个小孩荡秋千。在经典物理学中,如果我想要这个小孩荡得快一点,那么我就轻轻推他一下,给他更快的速度和更高的能量。量子力学的解释则不同,我每次只能让小孩的能量增加一个‘量子台阶’,施加这个“量子台阶”一半的能量是不可能的。”


对于一个荡秋千的孩子来说,这些“量子台阶”非常微小,以至于无法被注意到。直到最近,对于无线电波来说,情况也是这样。然而,代尔夫特理工大学的研究团队开发出一个电路,它可以精准地检测无线电频率信号中的这些量子能量,量子层面感知无线电波开拓了潜力。


价值


除了量子感知方面的应用,代尔夫特理工大学的课题组感兴趣的还包括将量子力学推进到更高级别:质量。虽然量子电磁学理论的开发已有大约100年的历史,但是物理学家们今天仍然对如何将引力融入到量子力学中感到困惑

Gely 表示:“采用我们的量子无线电,我们想要尝试听到和控制重物的量子振动,通过实验探索将量子力学和引力融合到一起时会发生什么。这些实验很难,但是如果成功了,那么我们将能够测试出是否可以制造时空本身的量子叠加,这一新概念将测试我们对于量子力学和广义相对论的理解。”


广义相对论的时空弯曲的示意图(图片来源:维基百科)


关键字


量子无线电物理


参考资料


【1】https://www.tudelft.nl/en/2019/tnw/listening-to-quantum-radio/

【2】Mario F. Gely, Marios Kounalakis, Christian Dickel, Jacob Dalle, Rémy Vatré, Brian Baker, Mark D. Jenkins, Gary A. Steele. Observation and stabilization of photonic Fock states in a hot radio-frequency resonator. Science, 2019; 363 (6431): 1072 DOI: 10.1126/science.aaw3101




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