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量子纠缠可以将GPS定位精度提升到一个新的水平

发布日期: 2020-04-29
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量子纠缠可以将GPS定位精度提升到一个新的水平



量子纠缠可以将GPS定位精度提升到一个新的水平

“我们在完全不同的领域中设计了光学系统和物理量之间的桥梁,” Zheshen Zhang解释说。(来源:盖蒂图片社)

2020年4月20日,艾米丽·迪克曼(AMILY DIECKMAN)-亚利桑那州发布

亚利桑那大学研究人员报告说,量子纠缠可以帮助以前所未有的灵敏度和准确性检测无线电频率。

手机的GPS,房屋内的WiFi和飞机上的通讯都由射频波或RF波供电,这些射频波或RF波将信息从一个点的发射器传递到另一个点的传感器。传感器以不同的方式解释此信息。例如,GPS传感器通过使用从卫星接收信号所花费的时间来确定其位置。对于室内定位和消除欺骗性GPS信号等应用,无线传感器可测量其接收RF波的角度。传感器可以越精确地测量此时间延迟或到达角度,就可以越准确地确定位置或增强安全性。

在《Physical Review Letters》中的一篇论文中,研究人员演示了射频光子传感和量子计量这两种技术的组合如何为传感器网络提供前所未有的精度。

研究涉及将信息从电子转移到光子,然后使用量子纠缠来提高光子的传感能力。“这种量子传感范例可以为改善GPS系统,天文学实验室和生物医学成像能力创造机会。”。亚利桑那大学材料科学、工程学和光学科学的助理教授,量子信息和材料小组首席研究员Zheshen Zhang说。“它可用于提高任何需要传感器网络的应用程序的性能。”

从电子到光

传统的天线传感器将信息从RF信号转换为由移动电子组成的电流。但是,使用光子或光单位来承载信息的光学传感要高效得多。

光子不仅可以比电子保存更多的数据,从而为信号提供更大的带宽,而且基于光子的传感可以比基于电子的传感传输更远的信号,并且干扰更少。由于光信号具有许多优点,因此研究人员使用电光换能器以一种称为RF光子传感的方法将RF波转换为光域。

“我们在完全不同的领域中设计了光学系统和物理量之间的桥梁,” Zhang解释说。“在本实验中,我们通过RF域进行了演示,但该想法也可以应用于其他情况。例如,如果要使用光子测量温度,则可以使用热光传感器将温度转换为光学性质。”

打破量子纠缠

将信息转换到光域后,研究人员应用了一种称为量子计量的技术。

通常,传感器的精度受到称为标准量子极限的限制。例如,智能手机GPS系统通常在16英尺半径内是准确的。量子计量学使用纠缠的粒子突破标准量子极限并进行超灵敏的测量。

它是如何工作的?纠缠的粒子绑在一起,因此只要采取适当的测量,一个粒子发生的任何事情都会影响它纠缠的粒子。

想象一个主管和一个员工在一个项目上一起工作。由于员工通过电子邮件和会议之类的方法与主管共享信息需要花费时间,因此其合作效率受到限制。但是,如果两者能够纠缠在一起,员工和主管将自动拥有相同的信息-节省时间并允许他们更有效地共同解决一个常见问题。

量子计量学已被用于提高激光干涉仪重力波天文台或LIGO 等场所的传感器精度,这为天文学家打开了新的窗口。但是,几乎所有以前的量子计量学演示,包括LIGO,都只涉及一个传感器。

传感器网络

但是,RF波通常由传感器网络接收,每个传感器网络都单独处理信息-更像是一群与主管一起工作的独立员工。电气和计算机工程助理教授庄群涛(Tuntao Zhuang)之前演示了一个理论框架,可通过组合纠缠传感器来提高性能。

这项新实验首次证明,研究人员可以将三个传感器组成的网络相互缠结,这意味着他们都从探测器接收信息并同时将它们相互关联。这更像是一组员工可以立即与老板共享信息,而老板可以立即彼此共享信息,从而使他们的工作流程超高效。

“通常,在一个复杂的系统中(例如,一个无线通信网络甚至是我们的手机),不仅有一个传感器,而且还有一组协同工作以执行任务的传感器,”张说。

“我们已经开发出一种技术来纠缠这些传感器,而不是让它们单独运行。他们可以在感应期间利用纠缠彼此“交谈”,这可以显着提高感应性能。”

虽然实验仅使用了三个传感器,但为将技术应用于数百个传感器的网络打开了大门。“例如,想象一下一个用于生物传感的网络:您可以纠缠这些生物传感器,以便它们可以一起识别生物分子的种类,或者比传统的传感器阵列更精确地检测神经活动,”张说。“确实,该技术可以应用于需要传感器阵列或传感器网络的任何应用。”

在2019年《物理评论X》上发表的理论工作中,Zhuang展示了机器学习技术如何在像这样的大规模纠缠传感器网络中训练传感器以进行超精确测量。

“缠结使传感器能够从要检测的参数中更精确地提取特征,从而在诸如传感器数据分类和主成分分析之类的机器学习任务中实现更好的性能,” Zhuang说。“我们以前的工作提供了优于经典系统的纠缠增强型机器学习系统的理论设计。”

其他合著者来自亚利桑那大学和通用动力任务系统公司。


来源: 网电空间战


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