有多少次，您参加与同事的视频会议，却发现当天的网络状况很糟糕?也许通话中的其他人正在切入和切出，或者您自己的信号在他们的屏幕上被损坏。不管怎样，许多远程工作人员找到了一个简单的解决方案——降低视频质量并专注于音频。

从一般意义上讲，这与研究人员在使用量子压缩来提高传感器性能时所利用的技术相同。斯坦福大学物理学和应用物理学教授、Q-NEXT成员MarkKasevich在开发量子传感器的工作中使用了量子压缩。

Q-NEXT是美国能源部(DOE)国家量子信息科学研究中心，由DOE的阿贡国家实验室领导。中心研究人员利用量子压缩来更好地测量量子系统。

消除噪音

量子物理学描述了量子领域的本质——分子、原子和亚原子粒子——它完全不同于你所习惯的物理学。

如果您在相同条件下将保龄球扔下一百次并测量其下落速度，您每次都会得到相同的测量结果。量子物理学并不是这样运作的。事实上，进行测量的简单行为就可以改变结果。

量子物理学的一个基本定律指出，在进行测量时，某些物理特性对彼此之间处于一种跷跷板关系：减少一个测量的不确定性或噪声会增加另一个测量的不确定性或噪声。这是使用量子压缩的物理学家所利用的原理。

在讨论量子压缩时，量子系统的两个基本测量是最重要的：振幅和相位。

振幅是量子波或粒子的大小或强度。振幅描述了波的大小或强度。较高的波具有较大的振幅，而较短的波具有较小的振幅。

另一方面，相位是量子波或粒子的相对定时或排列。该术语指的是波浪周期上进行测量的点——波峰、波谷或两者之间的某个位置。相位影响单独的波如何相互作用和相互干扰，从而影响量子系统中的行为。

与任何量的情况一样，幅度和相位的测量具有一定程度的不确定性，必须予以考虑。量子波的振幅和相位的不确定性存在这种跷跷板关系：当一个量子波的噪声上升时，另一个量子波的噪声就会下降。

“在量子压缩中，基本上是用振幅噪声量换取相位噪声，反之亦然，”卡塞维奇说。“如果您对测量相位感兴趣，那么有噪音幅度就可以了，因为相位才是您关心的。”

回想一下我们之前的视频通话出了问题。您需要能够听到同事在说什么，因此您可以选择通过降低视频质量来减少音频不确定性并增加视频不确定性。通话中其他参与者的面孔可能变得过于像素化和扭曲而无法看到，但您现在可以清楚地听到他们的声音。相反，如果通话中的某人试图向您展示视觉细节，您可能需要降低音频质量以提高视频的清晰度。

科学家在采用量子压缩时会做类似的事情。如果研究人员需要知道量子信号的幅度，他们可以使用称为“挤压器”的设备来挤压量子系统(例如光束)，并以增加相位不确定性为代价降低幅度不确定性。就像您的视频通话一样，它是关于决定在哪里可以牺牲测量精度的问题。

量子压缩对于未来技术具有巨大的潜力，它提供了一种提高自然最小尺度特性测量灵敏度的方法。

实际应用

虽然我们这里的视频通话类比是为了帮助您使用人类尺度上存在的东西来理解量子压缩，但真正的量子压缩发生在人类难以想象的微小尺度上。

高精度计时是量子压缩价值的一个很好的例子。手腕上的手表对于许多活动来说足够准确，但对于测量超短时间的流逝来说却太不精确。例如，由于重力的变化，太空中的时钟比地球上的时钟运行得快一点。这种引力时间膨胀是爱因斯坦广义相对论的一部分，其中距离地球这样的大质量物体越近，时间就越慢。

简单的手表无法检测到这些微小的时间变化。但原子钟可以。其中最准确的那些是如此精确，如果它们从大爆炸以来就一直在运行，那么今天它们的误差不会超过一秒。这种精度水平就是GPS卫星依靠原子钟与地球设备保持联系的原因。例如，客机上的时钟在空中的滴答速度会比在地面上的滴答速度稍快，而卫星上的原子钟可以帮助纠正这些微小的变化。

这些有用的小工具的工作原理是采用原子(铯原子很常见)并计算其电子在特定条件下的振荡。整个宇宙中的每个铯原子都会以完全相同的速率振荡，这意味着地球上的铯原子钟将与我们射入太空的铯原子保持相同的时间。

在该系统中，噪声会干扰时钟的准确读数。科学家们利用量子压缩来降低噪音。电子的振荡可以看作类似于落地钟摆动的钟摆。在这个类比中，电子的相位是指钟摆每次摆动的起点。通过以不确定的幅度为代价压缩相位，科学家们能够确保钟摆的每次摆动(电子的每次振荡)都是可预测的可测量的。

量子压缩的应用也延伸到了恒星。卡塞维奇描述了激光干涉仪引力波天文台(LIGO)如何挤压来自遥远天体的光线。该技术使LIGO团队成为历史上第一个物理感知到约13亿光年外的两个黑洞碰撞产生的引力波的团队。

卡塞维奇说：“LIGO引力波探测器通过挤压光束来提高干涉仪的精度，干涉仪测量两束光之间的相位差。”“这会产生奇妙的科学后果，因为你可以获得更高的精度。精度越高，我们实际上可以探测到引力波源的宇宙体积就越大。通过仅获得两倍的精度，当他们使用挤压时，他们将他们的发现能力提高了近10倍。”

这就是量子压缩的美妙之处——我们根本不知道我们现在错过了哪些观察结果。如果隔壁的割草机淹没了世界上最美丽的歌曲，那它就毫无意义了。同样，在减少不确定性之前，我们无法知道在量子领域中丢失了哪些引力波。

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