Zaciskanie kwantowe to metoda, która zwiększa precyzję poprzez redystrybucję niepewności w systemie, w którym już rozwijają się technologie, takie jak zegary atomowe. Koncepcja ta zapewnia jeszcze szersze skutki, gdyż naukowcy pracują nad zastosowaniem jej do bardziej złożonych pomiarów.
Zaciskanie kwantowe to technika stosowana w fizyce kwantowej, która zmniejsza niepewność w jednym aspekcie układu, jednocześnie zwiększając ją w innym. Wyobraź sobie balon wypełniony powietrzem: gdy go nie dotykasz, balon jest idealnie okrągły. Jeśli ściśniesz jedną stronę, spłaszczy się ona w tym miejscu, ale rozciągnie się w przeciwnym kierunku.
Podobnie w ściśniętym stanie kwantowym zmniejszenie niepewności (lub szumu) w jednej zmiennej, np. pozycji, powoduje zwiększoną niepewność w powiązanej zmiennej, takiej jak pęd. Niepewność całkowita pozostaje taka sama, jednak jej ponowne rozłożenie pozwala na znacznie dokładniejszy pomiar jednej ze zmiennych.
Zwiększanie precyzji pomiarów kwantowych
Technika ta została już z powodzeniem zastosowana w sytuacjach, gdy tylko jedna zmienna wymaga precyzyjnego pomiaru, np dokładność zegarów atomowych. Jednak użycie ściskania do jednoczesnego pomiaru wielu czynników, takich jak położenie i pęd, jest znacznie bardziej złożone.
W artykule naukowym opublikowanym niedawno w Badania dotyczące przeglądu fizycznegodr Le Bin Ho z Uniwersytetu Tohoku bada skuteczność techniki ściskania w zwiększaniu precyzji pomiarów w układach kwantowych z wieloma czynnikami. Analiza dostarcza wiedzy teoretycznej i numerycznej, pomagając w identyfikacji mechanizmów umożliwiających osiągnięcie maksymalnej precyzji w tych skomplikowanych pomiarach.
„Badania mają na celu lepsze zrozumienie, w jaki sposób można zastosować ściskanie kwantowe w bardziej skomplikowanych sytuacjach pomiarowych obejmujących estymację wielu faz” – powiedział Le. „Wyznając sposób osiągnięcia najwyższego poziomu precyzji, możemy utorować drogę nowym przełomom technologicznym w wykrywaniu i obrazowaniu kwantowym”.
Implikacje dla zaawansowanych technologii kwantowych
W badaniu przyjrzano się sytuacji, w której trójwymiarowe pole magnetyczne oddziałuje z zespołem identycznych dwupoziomowych układów kwantowych. W idealnych przypadkach precyzja pomiarów może być tak dokładna, jak to tylko teoretycznie możliwe. Jednak wcześniejsze badania miały trudności z wyjaśnieniem, jak to działa, szczególnie w rzeczywistych sytuacjach, w których tylko w jednym kierunku osiągane jest pełne splątanie kwantowe.
Badania te będą miały szerokie implikacje. Zwiększenie precyzji pomiarów kwantowych dla wielu faz może znacząco przyczynić się do postępu w różnych technologiach. Na przykład obrazowanie kwantowe mogłoby generować ostrzejsze obrazy, radar kwantowy mógłby dokładniej wykrywać obiekty, a zegary atomowe mogłyby stać się jeszcze dokładniejsze, poprawiając GPS i inne technologie wrażliwe na czas. W biofizyce może to doprowadzić do postępu w technikach takich jak MRI, a także zwiększyć dokładność pomiarów molekularnych i komórkowych, poprawiając czułość biosensorów stosowanych do wczesnego wykrywania chorób.
Przyszłe kierunki badań kwantowych
„Nasze odkrycia przyczyniają się do głębszego zrozumienia mechanizmów stojących za poprawą precyzji pomiarów w czujnikach kwantowych” – dodaje Le. „Te badania nie tylko przesuwają granice nauki kwantowej, ale także kładą podwaliny pod następną generację technologii kwantowych”.
Patrząc w przyszłość, Le ma nadzieję zbadać, jak ten mechanizm zmienia się pod wpływem różnych rodzajów hałasu i znaleźć sposoby na jego redukcję.
Odniesienie: „Estymacja wielofazowa wzmocniona kwantowo indukowana ściskaniem” autorstwa Le Bin Ho, 12 września 2024 r., Badania dotyczące przeglądu fizycznego.
DOI: 10.1103/PhysRevResearch.6.033292
