Fysikere demonstrerer magnetometer, der bruger kvanteeffekter og maskinlæring

Forskere fra Moskva Institut for Fysik og Teknologi (MIPT), Aalto Universitet i Finland, og ETH Zürich har demonstreret en prototypeenhed, der bruger kvanteeffekter og maskinlæring til at måle magnetiske felter mere præcist end dens klassiske analoger. Sådanne målinger er nødvendige for at søge mineralforekomster, opdage fjerne astronomiske objekter, diagnosticere hjernesygdomme, og skabe bedre radarer.

"Når du studerer naturen, uanset om du undersøger den menneskelige hjerne eller en supernovaeksplosion, du beskæftiger dig altid med en slags elektromagnetiske signaler, " forklarer Andrey Lebedev, en medforfatter til papiret, der beskriver den nye enhed i npj Kvanteinformation . "Så måling af magnetiske felter er nødvendig på tværs af forskellige områder af videnskab og teknologi, og man vil gerne gøre dette så nøjagtigt som muligt."

Kvantemagnetometer giver mere præcision

Et magnetometer er et instrument, der måler magnetiske felter. Et kompas er et eksempel på et primitivt magnetometer. I en elektronikbutik, man kan finde mere avancerede apparater af denne art brugt af arkæologer. Militære minedetektorer og metaldetektorer i lufthavne er også magnetometre.

Der er en grundlæggende begrænsning på nøjagtigheden af ​​sådanne instrumenter, kendt som standard kvantegrænse. I bund og grund, den siger, at for at fordoble præcisionen, en måling skal vare fire gange så længe. Denne regel gælder for enhver klassisk enhed, hvilket vil sige en, der ikke udnytter kvantefysikkens bizarre effekter.

"Det kan virke ubetydeligt, men for at få 1, 000 gange i præcision, du skulle køre eksperimentet 1 million gange længere. I betragtning af at nogle målinger tager uger til at begynde med, chancerne er, at du vil opleve et strømafbrydelse eller løbe tør for midler, før eksperimentet er slut, " siger Lebedev, som er en førende forsker ved Laboratory of the Physics of Quantum Information Technology, MIPT.

At opnå en højere nøjagtighed, og derfor kortere måletider, er afgørende, når skrøbelige prøver eller levende væv undersøges. For eksempel, når en patient gennemgår positronemissionstomografi, også kendt som en PET-scanning, radioaktive sporstoffer indføres i blodbanen, og jo mere følsom detektoren er, jo mindre er den nødvendige dosis.

I teorien, Kvanteteknologien gør det muligt at fordoble en målings nøjagtighed ved at gentage den to gange i stedet for fire gange som i tilfældet med et klassisk magnetometer. Papiret rapporteret i denne historie beskriver det første vellykkede forsøg på at omsætte dette princip i praksis ved at bruge en superledende qubit som måleenhed.

Qubits måler magnetiske felter

En qubit er en partikel, der adlyder kvantefysikkens love og kan indtage to diskrete basistilstande samtidigt i det, der er kendt som en superposition. Dette begreb refererer til et væld af "mellemliggende" tilstande, som hver falder sammen til en af ​​de to basistilstande, så snart den er målt. Et eksempel på en qubit er et brintatom, hvis to basistilstande er jorden og den exciterede tilstand.

I undersøgelsen af ​​Lebedev og medforfattere, qubit blev realiseret som et superledende kunstigt atom, en mikroskopisk struktur lavet af tynde aluminiumsfilm og aflejret på en siliciumchip holdt i et kraftigt køleskab. Ved temperaturer tæt på det absolutte nulpunkt, denne enhed opfører sig som et atom. I særdeleshed, ved at absorbere en specifik del af mikrobølgestråling, der føres til qubit'en via et kabel, den kan indgå i en afbalanceret superposition af de to basistilstande. Hvis enhedens tilstand derefter kontrolleres, målingen vil detektere jorden og den exciterede tilstand med lige 50 procents sandsynlighed.

Superledende qubits er kendetegnet ved deres følsomhed over for magnetiske felter, som kan bruges til at foretage målinger. Når en passende mikrobølgestrålingsimpuls er brugt til at drive enheden ind i en afbalanceret superposition af jorden og exciterede tilstande, denne nye tilstand begynder at ændre sig forudsigeligt med tiden. For at spore denne tilstandsændring, som er en funktion af det eksterne magnetfelt, forskerne sendte en anden mikrobølgeimpuls til enheden efter en kort forsinkelse og målte sandsynligheden for at finde qubitten i exciteret tilstand. Denne sandsynlighed, som blev beregnet over mange identiske eksperimenter udført i hurtig rækkefølge, angiver styrken af ​​magnetfeltet. Præcisionen af ​​denne kvanteteknologi overgår standard kvantegrænsen.

Qubit træning

"En faktisk fysisk qubit er ufuldkommen. Det er en menneskeskabt enhed, snarere end en matematisk abstraktion. Så i stedet for at bruge en teoretisk formel, vi træner qubit'en før vi foretager rigtige målinger, " siger Lebedev. "Dette er første gang maskinlæring er blevet anvendt på et kvantemagnetometer, " tilføjer han.

Qubit træning består i at lave mange foreløbige målinger under kontrollerede forhold med forudbestemte forsinkelser mellem impulser og i en række kendte magnetfelter. Forfatterne bestemte derved sandsynligheden for at detektere den exciterede tilstand efter sekvensen af ​​to impulser for et vilkårligt felt og en impulsforsinkelse. Forskerne plottede deres resultater på et diagram, som fungerer som fingeraftryk for den enkelte enhed, der er brugt i undersøgelsen, står for alle dens ufuldkommenheder.

Pointen med prøvefingeraftrykket er, at forsinkelsestiderne mellem impulser kan optimeres under gentagne målinger. "Vi udfører adaptive målinger, " siger Lebedev. "Ved det første skridt, vi tager en måling givet en vis forsinkelse mellem mikrobølgeimpulserne. Derefter, afhængig af resultatet, vi lader vores mønstergenkendelsesalgoritme bestemme, hvordan forsinkelsen skal indstilles til næste iteration. Dette resulterer i en højere præcision over færre målinger."

Qubits i laboratoriet, Hospital, og det ydre rum

Indtil nu, prototypeenheden og superledende qubits fungerer kun ved omkring 0,02 grader over det absolutte nulpunkt, som er defineret som -273,15 grader Celsius. "Dette er omkring 15, 000 gange koldere end stuetemperatur, " Lebedev påpeger. "Ingeniører arbejder på at øge driftstemperaturen for sådanne enheder til 4 kelvin [-269 C]. Dette ville gøre afkøling med flydende helium mulig, gør teknologien kommercielt levedygtig."

Prototypen er blevet testet på et statisk magnetfelt, men tidsvarierende eller forbigående felter kan måles på samme måde. Forskerholdet udfører allerede eksperimenter med variable felter, udvide det potentielle anvendelsesområde for deres enhed.

For eksempel, et kvantemagnetometer kunne monteres på en satellit for at observere astronomiske fænomener, der er for svage til klassiske instrumenter. Bekvemt, de kolde rumforhold gør afkøling noget mindre af et problem. Udover, et system af kvantemagnetometre kunne fungere som en ultrafølsom radar. Yderligere anvendelser af sådanne ikke-klassiske instrumenter omfatter MR-scanninger, efterforskning af mineraler, og forskning i biomolekylestruktur og uorganiske materialer.

Sådan udtrækkes information om det eksterne felt fra en qubit

Når den første mikrobølgeimpuls er absorberet af magnetometeret, det går ind i en superposition af jorden og ophidsede tilstande. Dette kan visualiseres ved at forestille qubitens to basistilstande som de to poler i en kugle, hvor hinandens punkter på kuglen repræsenterer en eller anden tilstand af superposition. I denne analogi, den første impuls driver qubittens tilstand fra nordpolen - jordtilstanden - til et punkt på ækvator (figur 2a). En direkte måling af denne tilstand af balanceret superposition ville resultere i, at jorden eller den exciterede tilstand detekteres med lige odds.

Efter den første puls, qubit'en bliver følsom over for det eksterne felt. Dette kommer til udtryk som en forudsigelig ændring af enhedens kvantetilstand. Det kan afbildes som et punkt, der roterer langs ækvator af en kugle (figur 2b). Hvor hurtigt dette punkt roterer, afhænger af styrken af ​​det ydre felt. Det betyder, at ved at finde en måde at måle rotationsvinklen X over en kendt tidsperiode, feltet kan kvantificeres.

Den største udfordring er at skelne mellem de forskellige tilstande på ækvator:Medmindre der bruges et eller andet trick, målingen ville returnere den exciterede tilstand nøjagtigt 50 procent af tiden. Dette er grunden til, at fysikerne sendte en anden mikrobølgeimpuls til qubit'en og først derefter kontrollerede dens tilstand. Ideen bag den anden puls er, at den forudsigeligt flytter enhedens tilstand væk fra ækvator, ind i en af ​​halvkuglerne. Nu, oddsene for at måle en exciteret tilstand afhænger af, hvor meget tilstanden har roteret siden den første puls, det er, vinkel X. Ved at gentage sekvensen af ​​to impulser og en måling mange gange, forfatterne beregnede sandsynligheden for en exciteret tilstand, og dermed vinklen X og styrken af ​​magnetfeltet. Dette princip ligger til grund for driften af ​​deres magnetometer.