Стандартные квантовые пределы погрешностей измерений и методы их преодоления

Л.С. Корниенко, V. B. Shteinshleiger

Yurii I. Vorontsov

Январь 1994 г. Том 164, №1 У С П Е Х И Ф И З И Ч Е С К И Х Н А У К Содержание 1. Введение (89).1.1.Стандартные квантовые пределы (СКП) погрешностей измерения.1.2.Общая схема косвенных измерений.1.3.Эволю ция состояния системы в процессе измерения.2. СКП погрешностей измерения координаты и методы их преодоления (91).2.1.Цель измерения и начальное состояние прибора.2.2.Не определенность координаты после измерения.2.3.Погрешности непрерывного измерения координаты.3. Квантовые невозмущающие (неразрушающие) измерения (КНИ) (93).3.1.Эволюция КНИ наблюдаемой в процессе измерения.3.2.Условия реализации КНИ измерения.3.3.Невозмущающее измерение энергии гармонического осциллятора.3.4.Невозму щающее измерение энергии электромагнитных волн.4. Квазиневозмущающие измерения (95).4.1.Принципы квазиневозмущающих измерений.4.2.Квазине возмущающее измерение энергии волн с помощью керровской нелинейности.4.3.Влияние самовоздействия пробной волны на погрешность измерения энергии сигнальной волны. 5. Результаты экспериментов по КНИ энергии оптических волн (98).5.1.Измерение энергии бегущих волн.5.2.Пути увеличения эффективной нелинейности.5.3.Измерение путем взаимодей ствия волн в резонаторе.5.4.Другие способы КНИ энергии волн.6. Квантовый предел обнаружения воздействия на систему (100).7. Соотношение погрешность измерения -возмущение (102).8. Заключение (102).Список литературы (103).1. Введение 1.1.Стандартные квантовые пределы (СКП) погреш ностей измерения Квантовые пределы погрешностей измерения физиче ских величин интересовали теоретиков еще в то время, когда экспериментаторов они не касались вовсе [1, 2].Решение этой проблемы имело не столько практическое, сколько философское значение.Если вдруг окажется, что какая либо физическая величина в принципе не может быть измерена точно, то какой физический смысл ее точных значений в теории?Если погрешность измерения энергии обратно пропорциональна длительности изме рения, как это следует из соотношения Гейзенберга-Бора, то закон сохранения энергии не может быть проверен точно за конечное время и, следовательно, возникает повод сомневаться в его фундаментальности.Появление лазеров и развитие оптических систем пере дачи информации стимулировали дальнейшее развитие квантовой теории измерений, теорий оценивания и про верки гипотез [3-6].Особый толчок развитию новых принципов и методов квантовых измерений дали поиски способов обнаружения гравитационных волн от внезем © Ю.И.Воронцов 1994 Так называемые стандартные квантовые пределы (СКП) погрешностей измерения координаты, импульса, амплитуды колебаний, энергии, силы и др.обусловлены обратным действием прибора на систему в случае, если прибор реагирует на мгновенное значение координаты.Эти СКП не являются фундаментальными и могут быть преодолены различными путями.Например, при измерении координаты СКП можно преодолеть с помощью подходящей корреляции между сопряженными наблюдаемыми прибора.Рассматриваются условия квантового невозмущающего (неразрушающего) измерения и квазиневозмущающего измерения энергии электромагнитных волн.Дан обзор возможных способов таких измерений.Анализируются условия преодоления СКП энергии волн с помощью оптического эффекта Керра.Приведен квантовый предел погрешности такого измерения.Рассматри вается влияние диссипации, дисперсии и генерации комбинационных волн.Анализируются результаты известных экспериментов.Рассматривается зависимость квантового предела ошибки обнаружения внешнего воздействия на систему от ее начального состояния

А. Адам, Л. Яноши, Peter Varga

В. І. Смирнов

Проанализировано соотношение предельных погрешностей измерений временных и частотных параметров оптических импульсов, которое сопоставлено с соотношением неопределенностей. Показано, что произведение средних квадратических предельных погрешностей измерений, приведенное к одному фотону, соответствует минимальному значению в квантовом соотношении неопределенностей время-энергия (координата-импульс) и уменьшается с отклонением формы импульса от гауссовой, при которой информационная энтропия максимальна. Соотношение погрешностей имеет форму обратного неравенства по отношению к соотношению неопределенностей.On the basis of the information inequality the relation between the limiting measuring errors of the time and frequency parameters of optical impulses is analyzed. The received error relation is compared to the quantum physics uncertainty relation. For the Gauss impulses the product of root-mean-square limiting measurement errors of the time and frequency parameters reduced to one photon is shown to correspond to the minimum value in the quantum uncertainty relation time-energy (coordinate-momentum). At the same time, the error relation has the opposite sign of the inequality relative to the uncertainty relation. Product of errors decreases, if the form of the impulse differs from the Gauss form, for which informational entropy riches the maximum.

Aleksandr M Leontovich, A. M. Mozharovskiǐ, Evgenii Dmitrievich Trifonov

Александр Шелеметьев

Цель работы состояла в разработке методов опроса волоконно-оптических датчиков, улучшающих разрешающую способность измерений. Были решены следующие задачи: реализация источника парно испускаемых фотонов с суперпуассоновской статистикой, оценка статистики флуктуаций интенсивности разработанного источника, проведение экспериментальных измерений бифотонных интерференционных сигналов, анализ и обработка полученных данных. Работа проведена на базе научной лаборатории «Волоконная оптика». Были реализованы несколько экспериментальных установок, проведены экспериментальные измерения и анализ полученных данных. Использовались квантовые и спектральные методы опроса волоконно-оптических датчиков. В результате был реализован источник с суперпуассоновской статистикой, а также были продемонстрированы его возможности и варианты улучшения разрешающей способности, что может быть использовано для дальнейших научных исследований в рамках квантовой оптики. В процессе работы использовались платформа для программирования MATLAB/GNU Octave.