近一个世纪以来，海森堡不确定性原理一直是量子物理学的核心理论之一：无法同时以绝对精度获知粒子的位置和动量。对其中一项的测量越精确，对另一项的了解就越模糊。

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在《科学进展》（Science Advances）期刊发表的一项新研究中，我们的团队展示了如何绕过这一限制 —— 并非打破物理定律，而是重构不确定性本身。

这一成果是测量科学领域的突破，或能推动新一代原子尺度超高精度量子传感器的发展。

转移不确定性

不确定性原理明确指出，测量中总会存在最小限度的不确定性。但可以将其比作气球里的空气：空气无法逸出，但你可以在气球内部自由移动它。

同理，在测量位置和动量时，不确定性的总量是固定的，但我们可以在两者之间重新分配这种不确定性。

传统上，这种权衡意味着必须做出选择：要么精确测量位置，却丢失动量信息；要么反之。

我们的研究采用了不同思路：将不确定性转移到无关紧要的感知范围中。

为理解这一点，不妨再用一个比喻：想象一个只有一根指针的时钟。若是时针，能精确知道小时，但只能大致判断分钟；若是分针，能精确读取分钟，却无法确定小时。

我们将这一思路应用于量子测量：重新分配不确定性，从而能在选定的参考点附近，同时追踪位置和动量的微小变化 —— 即便我们并不清楚该参考点本身的绝对位置。

借助这一方法，我们能同时检测到位置和动量的极微小变化，突破了所有经典传感器的极限。

用量子纠错码提升量子传感精度

我们是如何实现的？我们重新利用了原本用于保护量子计算机免受噪声干扰的技术，以此提升测量设备的精度。这一思路最早在 2017 年的一项理论研究中被提出。

我们的实验借助了 “被困离子”—— 即通过电场和磁场固定并控制的单个带电原子。

我们将离子制备成 “网格态”（一种最初为纠错量子计算开发的量子态），随后将这些状态用作传感器来测量微弱信号，原理类似检测量子计算机中的错误。

量子计算与量子传感的这种交叉融合，正是我们研究的核心思路。

实验结果显示，我们能测量到对应 0.5 纳米（约一个原子大小）的信号不确定性，还能测量极微弱的力 —— 单位为幺牛（yoctonewton），即 10 的 - 24 次方牛（万亿分之一的万亿分之一牛），相当于测量约 30 个氧分子的重量。

这项研究为何重要？

能够测量极微弱信号具有深远意义。看似反直觉的是，对微观世界的测量，反而能帮助我们加深对宏观世界的理解。

量子传感器已助力引力波天文台探测到黑洞碰撞等宇宙事件。我们的研究为更强大的传感能力打开了大门，有望进一步加深对天体物理对象的认知。

目前，该实验仍处于物理实验室的研究范畴内，并非明天就能在商店买到的设备。但我们有信心，这种实现高精度测量的新方法，将催生出一整代超高灵敏度量子传感器。

期刊信息：《科学进展》（Science Advances）