квантовые неразрушающие измерения

КВАНТОВЫЕ НЕРАЗРУШАЮЩИЕ ИЗМЕРЕНИЯ (квантовые невозмущающие измерения; КНИ) - измерения, не изменяющие состояния исследуемой системы, если оно является собственным для оператора измеряемой величины. КНИ представляет собой реализацию идеального квантового измерения, описываемого постулатом редукции фон Неймана: после измерения наблюдаемой X исследуемая система переходит в одно из собств. состояний |x> оператора X c вероятностью - оператор плотности состояния системы до измерения); результатом измерения является соответствующее собств. значение х. Идея КНИ и сам термин были предложены в [1], а первая конкретная процедура КНИ, позволяющая в принципе точно измерить число фотонов в эл--магн. резонаторе, не поглотив при этом ни одного - в [2]. Развитие теории КНИ связано с тем, что уровень точности измерений, требуемый в ряде совр. эксперим. программ, делает необходимым учёт квантовых свойств макроскопич. объектов. Большой интерес вызывают также неклассич. состояния эл--магн. поля, позволяющие существенно повысить надёжность передачи информации. Устройства, регистрирующие единичные кванты без поглощения, перспективны как элементы оптич. компьютеров, т. к. они полностью снимают проблему отвода диссипируемой энергии. Необходимым условием реализации КНИ является уменьшение всех флуктуации неквантовой природы до уровня, меньшего чисто квантовых. Напр., при измерении энергии осциллятора квантовые флуктуации преобладают над тепловыми, если hw> (n+¹/₂)kT/Q (Т - абс. темп-pa, Q - добротность осциллятора, п - номер его уровня энергии), а при измерении координаты - если h/t>kT/Q (t - время выделения сигнала). Совр. эксперим. техника позволяет выполнить оба этих условия. Точность одноврем. измерения неск. некоммутирующих величин ограничивается соотношением неопределённостей Гейзенберга. Так, оператор координаты осциллятора не коммутирует сам с собой в разл. моменты времени:

Поэтому если схема измерения включает в себя прибор, осуществляющий непрерывное слежение за координатой осциллятора (напр., линейный усилитель), то точность отслеживания координаты будет принципиально ограничена величиной точность измерения энергии - величиной фазы - (E - ср. энергия осциллятора) независимо от конкретной природы и качества изготовления усилителя. Измерит. прибор, сконструированный в соответствии с требованиями теории КНИ, в принципе не должен давать информации о величинах, операторы к-рых не коммутируют с оператором измеряемой величины. Универсальным необходимым и достаточным условием КНИ является коммутативность оператора эволюции комплекса "измерительный прибор + исследуемая система" с оператором измеряемой величины. Более простых необходимых и достаточных условий КНИ в настоящее время не сформулировано. Известно неск. достаточных критериев КНИ для разл. частных случаев. Напр., если измеряемая величина является интегралом движения исследуемой системы, то для реализации КНИ достаточно коммутативности гамильтониана взаимодействия с оператором измеряемой величины. При обнаружении малого внеш. воздействия на пробную квантовую систему требуется неск. измерений (как минимум, два: для приготовления состояния пробной системы и затем для регистрации изменения состояния под влиянием внеш. воздействия). Для того чтобы возмущение пробной системы при предыдущих измерениях не сказывалось на результатах последующих, необходимо, чтобы значения гейзенберговского оператора измеряемой величины коммутировали в моменты разл. измерений. Т. н. невозмущаемые переменные, операторы к-рых антикоммутируют в произвольные моменты временя, в частности интегралы движения, допускают непрерывное точное слежение (квантовое невозмущающее слежение) [3]. Его применение упрощает построение системы обнаружения, поскольку допускает непрерывное подключение измерит. прибора к пробной системе. Обзор осн. работ см. в [4]. Лит.: 1) Брагинский В. Б., Воронцов Ю.И., Квантовомеханические ограничения в макроскопических экспериментах и современная экспериментальная техника, "УФН", 974, т. 114, с. 41; 2) Брагинский В. Б., Воронцов Ю. И., Халили Ф. Я., Квантовые особенности пондермоторного измерителя электромагнитной энергии, "ЖЭТФ", 1977, т. 73, с. 1340; 3) Д о д о н о в В. В., М а н ь к о В. И., Руденко В. Н., Невозмущающее измерение в гравитационно-волновом эксперименте, "ЖЭТФ", 1980, т. 78, с. 881; 4) Вraginsky V. В., Vorontsov Y u. I., Thorne K. S., Quantum nondemolition measurements, "Science", 1980, v. 209, p. 547. Ф. Я. Халили.

   <<      Предметный указатель      >>