科學家突破海森堡不確定性原理限制，實現量子測量新紀元

自1927年提出以來，海森堡不確定性原理一直是量子物理學的基石，指出粒子位置與動量等互補性質無法同時被無限精確地測量。傳統上，提高其中一個性質的測量精度，必然會增加另一個性質的不確定性。然而，由雪梨大學納米研究所和物理學院的Tingrei Tan博士領導的澳洲與英國研究團隊，開發出一種創新的方法，透過重新分配量子不確定性，巧妙地繞過了這一傳統限制。這項發表於《科學進展》期刊的研究，為開發超高精度感測器鋪平了道路，這些感測器在導航、醫療影像和天文觀測等領域具有廣泛的應用前景。

研究團隊巧妙地設計了量子狀態，特別是利用了最初為糾錯量子運算開發的「網格態」（grid states）。這種方法能夠將不確定性轉移到較不關鍵的測量面向，從而實現同時精確測量粒子的位置和動量。這種技術使得研究人員能夠測量與奈米級別位置不確定性相對應的數值，以及偵測約為10的負21次方牛頓（yoctonewtons）的力，其靈敏度相當於偵測約30個氧分子重量的力。這種極高的靈敏度為偵測極微小的變化提供了前所未有的可能性。

此項突破的影響深遠，能夠高精度測量極小信號的能力，有望徹底改變多個領域。例如，偵測宇宙事件（如黑洞合併）的重力波探測器，將能獲得顯著的效益。此外，這項技術也可能催生出超靈敏的量子感測器，應用於導航（尤其是在GPS受限的環境中，如水下或太空）、醫療影像（提高MRI的解析度）、材料監測以及天體物理學等領域。在醫療診斷方面，量子感測器能夠實現早期疾病偵測，並可能用於改善MRI的空間解析度。在導航方面，量子加速計和陀螺儀無需外部訊號即可精確導航，對於GPS無法使用的環境至關重要。在地球科學領域，量子重力感測器能偵測重力場的微小變化，有助於繪製地下結構，甚至提供火山爆發的預警。

這項研究是雪梨大學實驗團隊與RMIT大學、墨爾本大學、麥覺理大學和英國布里斯托大學理論團隊合作的成果，展現了跨機構和跨國界合作加速科學進步的重要性。雖然目前此實驗仍侷限於物理實驗室，但它展示了超靈敏量子感測器的潛力，預計將在科學與技術領域帶來廣泛的應用。這項研究標誌著量子測量科學的一大步，為未來需要偵測微弱信號的感測技術提供了新的框架，並有望推動下一代超高精度感測器的發展，深刻改變我們對量子世界的理解與測量方式。