Fysikere rapporterer om den første programmerbare kvantesensor

Atomure er de bedste sensorer, menneskeheden nogensinde har bygget. I dag kan de findes i nationale standardiseringsinstitutter eller satellitter for navigationssystemer. Forskere over hele verden arbejder på yderligere at optimere præcisionen af ​​disse ure. Nu har en forskergruppe ledet af Peter Zoller, en teoretiker fra Innsbruck, Østrig, udviklet et nyt koncept, der kan bruges til at betjene sensorer med endnu større præcision, uanset hvilken teknisk platform der bruges til at fremstille sensoren. "Vi besvarer spørgsmålet om, hvor præcis en sensor kan være med eksisterende kontrolmuligheder, og giver en opskrift på, hvordan dette kan opnås," forklarer Denis Vasilyev og Raphael Kaubrügger fra Peter Zollers gruppe ved Institute of Quantum Optics and Quantum Information ved Østrigske Videnskabsakademi i Innsbruck.

Til dette formål bruger fysikerne en metode fra kvanteinformationsbehandling:Variationelle kvantealgoritmer beskriver et kredsløb af kvanteporte, der afhænger af frie parametre. Gennem optimeringsrutiner finder sensoren autonomt de bedste indstillinger for et optimalt resultat. "Vi anvendte denne teknik på et problem fra metrologi - videnskaben om måling," forklarer Vasilyev og Kaubrügger. "Dette er spændende, fordi historisk fremskridt inden for atomfysik var motiveret af metrologi, og til gengæld opstod kvanteinformationsbehandling ud fra det. Så vi er kommet fuld cirkel her," siger Peter Zoller. Med den nye tilgang kan forskere optimere kvantesensorer til det punkt, hvor de opnår den bedst mulige præcision, som er teknisk tilladt.

Bedre målinger med lidt ekstra indsats

I nogen tid har man forstået, at atomure kunne køre endnu mere præcist ved at udnytte kvantemekanisk sammenfiltring. Der har dog været mangel på metoder til at realisere robust sammenfiltring for sådanne applikationer. Innsbruck-fysikerne bruger nu skræddersyet sammenfiltring, der er præcist afstemt til virkelighedens krav. Med deres metode genererer de præcis den kombination bestående af kvantetilstand og målinger, som er optimal for hver enkelt kvantesensor. Dette gør det muligt at bringe sensorens præcision tæt på det optimale i henhold til naturens love, med kun en lille stigning i overhead. "I udviklingen af ​​kvantecomputere har vi lært at skabe skræddersyede sammenfiltrede tilstande," siger Christian Marciniak fra Institut for Eksperimentel Fysik ved Universitetet i Innsbruck. "Vi bruger nu denne viden til at bygge bedre sensorer."

Demonstrer kvantefordele med sensorer

Dette teoretiske koncept blev nu implementeret i praksis for første gang på universitetet i Innsbruck, som forskergruppen ledet af Thomas Monz og Rainer Blatt nu rapporterede i Nature . Fysikerne udførte frekvensmålinger baseret på variationskvanteberegninger på deres ionfældekvantecomputer. Fordi de interaktioner, der bruges i lineære ionfælder, stadig er relativt nemme at simulere på klassiske computere, var teorikollegerne i stand til at kontrollere de nødvendige parametre på en supercomputer ved universitetet i Innsbruck. Selvom forsøgsopstillingen på ingen måde er perfekt, stemmer resultaterne overraskende godt overens med de teoretisk forudsagte værdier. Da sådanne simuleringer ikke er mulige for alle sensorer, demonstrerede forskerne en anden tilgang:De brugte metoder til automatisk at optimere parametrene uden forudgående viden. "I lighed med maskinlæring finder den programmerbare kvantecomputer sin optimale tilstand autonomt som en højpræcisionssensor," siger eksperimentel fysiker Thomas Feldker, der beskriver den underliggende mekanisme.

"Vores koncept gør det muligt at demonstrere fordelene ved kvanteteknologier i forhold til klassiske computere på et problem af praktisk relevans," understreger Peter Zoller. "Vi har demonstreret en afgørende komponent af kvanteforstærkede atomure med vores variationelle Ramsey-interferometri. At køre dette i et dedikeret atomur er næste skridt. Hvad der hidtil kun er blevet vist for beregninger af tvivlsom praktisk relevans, kunne nu demonstreres med en programmerbar kvantesensor i den nærmeste fremtid - kvantefordel."

Resultaterne blev publiceret i tidsskrifterne Nature og Fysisk gennemgang X. + Udforsk yderligere

Manipulering af de mørke tilstande af superledende kredsløb i en mikrobølgeleder