Физика

Физики создали оптический сенсор на основе квантового алгоритма

Установка для измерения позиции объекта, которая использует только оптическую когерентность

Н. С. Кирсанов

Ученые из лаборатории физики квантовых информационных технологий МФТИ совместно с сотрудником Аргоннской национальной лаборатории (США) реализовали современный квантовый алгоритм для измерения физических величин с помощью простейших оптических приборов. Результаты исследования приближают появление доступных высокоточных сенсоров на базе линейной оптики, которые могут найти применение в самых разных научных направлениях: от астрономии до биологии. Работа опубликована в журнале Scientific Reports.

Чувствительность измерительных приборов является важнейшей характеристикой во всех областях науки и техники: астрономам необходимо точно детектировать далекие космические явления, биологам — различать мельчайшие органические структуры, а инженерам — измерять положения или скорости различных объектов. До совсем недавнего времени ни одно из существовавших измерительных устройств не могло обеспечить точности выше так называемого предела дробового шума — ограничения, обусловленного статистическими особенностями классических измерений. Однако с возникновением квантовых технологий появилась возможность обойти эту преграду и достичь наивысшего гейзенберговского предела точности, который, в свою очередь, объясняется основными принципами квантовой механики. Пример LIGO (обсерватории, на установках которой несколько лет назад были детектированы гравитационные волны) показывает, что гейзенберговская чувствительность может быть достигнута с помощью сочетания сложных оптических интерференционных схем с квантовыми технологиями.

Новейшая область физики — квантовая метрология — изучает технические и алгоритмические средства для осуществления высокоточных квантовых измерений. Физики из МФТИ и Аргоннской национальной лаборатории решили совместить методы квантовой метрологии с линейной оптикой.

«Мы придумали и построили оптическую схему, выполняющую процедуру оценки фазы на основе преобразования Фурье, — рассказывает один из авторов статьи, Никита Кирсанов из МФТИ. — Эта процедура является главным компонентом многих известных квантовых алгоритмов; в том числе она используется в высокоточных измерительных протоколах».

Экспериментальная установка, состоящая из очень большого числа линейных оптических элементов (светоделителей, фазовых пластин и зеркал), позволяет получать информацию о геометрических углах, положениях, скоростях и других параметрах физических объектов. Для измерения той или иной величины необходимо «закодировать» ее в оптические фазы, непосредственно измеряемые в эксперименте.

«Эта работа является продолжением нашей исследовательской деятельности в области универсальных квантовых измерительных алгоритмов, — говорит руководитель проекта Гордей Лесовик, заведующий лабораторией физики квантовых информационных технологий МФТИ. — Ранее совместно с финской группой из Университета Аалто мы экспериментально реализовали аналогичный измерительный алгоритм, но на базе трансмонных кубитов».

Эксперимент показал, что, несмотря на большое количество оптических элементов, интерференционная схема поддается настройке и контролю. Кроме того, согласно теоретическим оценкам, приведенным в статье, средствами линейной оптики можно реализовывать операции даже значительно большей сложности. Таким образом, ученые показали, что линейная оптика является доступной и эффективной платформой для реализации квантовых измерительных и вычислительных операций умеренного масштаба.

Понравился материал? Добавьте Indicator.Ru в «Мои источники» Яндекс.Новостей и читайте нас чаще.