Fysikere skaber kvanteinspireret optisk sensor

Forskere fra Moskva Institut for Fysik og Teknologi, sammen med en kollega fra Argonne National Laboratory, OS., har implementeret en avanceret kvantealgoritme til måling af fysiske størrelser ved hjælp af enkle optiske værktøjer. Udgivet i Videnskabelige rapporter , deres undersøgelse tager os et skridt tættere på overkommelige lineære optik-baserede sensorer med højtydende egenskaber. Sådanne værktøjer er eftertragtede inden for forskellige forskningsområder, fra astronomi til biologi.

Maksimering af måleværktøjers følsomhed er afgørende for ethvert videnskabeligt og teknologisk område. Astronomer søger at opdage fjerntliggende kosmiske fænomener, biologer skal skelne yderst små organiske strukturer, og ingeniører skal måle objekters positioner og hastigheder, for at nævne et par eksempler.

Indtil for nylig, intet måleværktøj kunne sikre præcision over den såkaldte skudstøjgrænse, hvilket har at gøre med de statistiske træk, der er forbundet med klassiske observationer. Kvanteteknologi har givet en vej udenom dette, øge præcisionen til den grundlæggende Heisenberg -grænse, stammer fra kvantemekanikkens grundprincipper. LIGO -eksperimentet, som registrerede gravitationsbølger for første gang i 2016, viser, at det er muligt at opnå Heisenberg-begrænset følsomhed ved at kombinere komplekse optiske interferensordninger og kvanteteknikker.

Quantum metrology er et banebrydende fysikområde, der beskæftiger sig med de teknologiske og algoritmiske værktøjer til at foretage meget præcise kvantemålinger. I deres seneste undersøgelse, teamet fra MIPT og ANL fusionerede kvantemetrologi med lineær optik.

"Vi udtænkte og konstruerede et optisk skema, der kører Fouriers transformbaserede fasestimeringsprocedure, "sagde studieforfatter Nikita Kirsanov fra MIPT." Denne procedure er kernen i mange kvantealgoritmer, herunder måleprotokoller med høj præcision. "

Et specifikt arrangement af et meget stort antal lineære optiske elementer - strålesplittere, faseskift, og spejle - gør det muligt at få information om de geometriske vinkler, stillinger, hastigheder samt andre parametre for fysiske objekter. Målingen indebærer kodning af mængden af ​​interesse i de optiske faser, som derefter bestemmes direkte.

"Denne forskning er en opfølgning på vores arbejde med universelle kvantemålingsalgoritmer, "kommenterede hovedforsker Gordey Lesovik, der leder MIPT Laboratory of the Physics of Quantum Information Technology. "I et tidligere samarbejde med en forskningsgruppe fra Aalto University i Finland, vi implementerede eksperimentelt en lignende målealgoritme på transmon qubits. "

Forsøget viste, at på trods af det store antal optiske elementer i ordningen, den er ikke desto mindre indstillelig og kontrollerbar. Ifølge de teoretiske skøn i papiret er lineære optikværktøjer levedygtige til at implementere selv operationer, der er betydeligt mere komplekse.

"Undersøgelsen har vist, at lineær optik tilbyder en overkommelig og effektiv platform til implementering af moderate kvantemålinger og beregninger, "sagde Argonne Distinguished Fellow Valerii Vinokur.