Forskare har funnit att en fysisk egenskap som kallas 'kvantnegativitet' kan användas för att ta mer exakta mätningar av allt från molekylära avstånd till gravitationella vågor.

Forskarna, från University of Cambridge, Harvard och MIT, har visat att kvantpartiklar kan bära en obegränsad mängd information om saker de har interagerat med. Resultaten, redovisas i tidskriften Naturkommunikation , skulle kunna möjliggöra mycket mer exakta mätningar och driva ny teknik, som superexakta mikroskop och kvantdatorer.

Metrologi är vetenskapen om uppskattningar och mätningar. Om du vägde dig själv i morse, du har gjort mätning. På samma sätt som kvantberäkning förväntas revolutionera hur komplicerade beräkningar görs, kvantmetrologi, använda subatomära partiklars konstiga beteende, kan revolutionera sättet vi mäter saker på.

Vi är vana vid att hantera sannolikheter som sträcker sig från 0 % (händer aldrig) till 100 % (händer alltid). För att förklara resultat från kvantvärlden, begreppet sannolikhet måste utvidgas till att omfatta en så kallad kvasisannolikhet, vilket kan vara negativt. Denna kvasi-sannolikhet gör att kvantbegrepp som Einsteins "spöklika aktion på avstånd" och våg-partikeldualitet kan förklaras i ett intuitivt matematiskt språk. Till exempel, sannolikheten för att en atom befinner sig i en viss position och färdas med en specifik hastighet kan vara ett negativt tal, såsom -5%.

Ett experiment vars förklaring kräver negativa sannolikheter sägs ha 'kvantnegativitet'. Forskarna har nu visat att denna kvantnegativitet kan hjälpa till att ta mer exakta mätningar.

All metrologi behöver sonder, som kan vara enkla vågar eller termometrar. I toppmodern metrologi är dock sonderna är kvantpartiklar, som kan styras på subatomär nivå. Dessa kvantpartiklar är gjorda för att interagera med det som mäts. Därefter analyseras partiklarna av en detektionsanordning.

I teorin, ju större antal sonderande partiklar det finns, mer information kommer att finnas tillgänglig för detektionsenheten. Men i praktiken, det finns ett tak för den hastighet med vilken detektionsanordningar kan analysera partiklar. Detsamma gäller i vardagen:att sätta på solglasögon kan filtrera bort överflödigt ljus och förbättra synen. Men det finns en gräns för hur mycket filtrering som kan förbättra vår syn - att ha för mörka solglasögon är skadligt.

"Vi har anpassat verktyg från standardinformationsteori till kvasi-sannolikheter och visat att filtrering av kvantpartiklar kan kondensera informationen från en miljon partiklar till en, " sa huvudförfattaren Dr. David Arvidsson-Shukur från Cambridges Cavendish Laboratory och Sarah Woodhead Fellow vid Girton College. "Det betyder att detekteringsenheter kan arbeta med sin idealiska inflödeshastighet samtidigt som de får information som motsvarar mycket högre hastigheter. Detta är förbjudet enligt normal sannolikhetsteori, men kvantnegativitet gör det möjligt."

En experimentgrupp vid University of Toronto har redan börjat bygga teknik för att använda dessa nya teoretiska resultat. Deras mål är att skapa en kvantenhet som använder enfotonlaserljus för att ge otroligt exakta mätningar av optiska komponenter. Sådana mätningar är avgörande för att skapa avancerad ny teknik, såsom fotoniska kvantdatorer.

"Vår upptäckt öppnar för spännande nya sätt att använda grundläggande kvantfenomen i verkliga tillämpningar, sa Arvidsson-Shukur.

Kvantmetrologi kan förbättra mätningar av saker inklusive avstånd, vinklar, temperaturer och magnetfält. Dessa mer exakta mätningar kan leda till bättre och snabbare teknik, men också bättre resurser för att undersöka grundläggande fysik och förbättra vår förståelse av universum. Till exempel, många tekniker förlitar sig på den exakta inriktningen av komponenter eller förmågan att känna av små förändringar i elektriska eller magnetiska fält. Högre precision vid inriktning av speglar kan möjliggöra mer exakta mikroskop eller teleskop, och bättre sätt att mäta jordens magnetfält kan leda till bättre navigeringsverktyg.

Kvantmetrologi används för närvarande för att förbättra precisionen vid detektering av gravitationsvågor i Nobelprisbelönta LIGO Hanford Observatory. Men för de flesta applikationer, kvantmetrologi har varit alltför dyrt och ouppnåeligt med nuvarande teknik. De nyligen publicerade resultaten erbjuder ett billigare sätt att göra kvantmetrologi.

"Forskare säger ofta att "det finns inget sådant som en gratis lunch", vilket innebär att du inte kan vinna någonting om du inte är villig att betala beräkningspriset, " sa medförfattaren Aleksander Lasek, en Ph.D. kandidat vid Cavendish Laboratory. "Dock, inom kvantmetrologi kan detta pris göras godtyckligt lågt. Det är mycket kontraintuitivt, och verkligen fantastiskt!"

Dr Nicole Yunger Halpern, medförfattare och ITAMP postdoktor vid Harvard University, sa:"Vardaglig multiplikation pendlar:Sex gånger sju är lika med sju gånger sex. Kvantteorin innebär multiplikation som inte pendlar. Bristen på pendling låter oss förbättra metrologin med hjälp av kvantfysik.

"Kvantfysik förbättrar metrologi, beräkning, kryptografi, och mer; men det är svårt att bevisa att det gör det. Vi visade att kvantfysiken gör det möjligt för oss att extrahera mer information från experiment än vi kunde med bara klassisk fysik. Nyckeln till beviset är en kvantversion av sannolikheter-matematiska objekt som liknar sannolikheter men kan anta negativa och icke-verkliga värden. "