Атомные часы — это лучшие датчики, когда-либо созданные человечеством. Сегодня их можно найти в национальных институтах стандартов или спутниках навигационных систем. Ученые всего мира работают над дальнейшей оптимизацией точности этих часов. Теперь исследовательская группа под руководством Питера Золлера, теоретика из Инсбрука, Австрия, разработала новую концепцию, которая может использоваться для работы датчиков с еще большей точностью, независимо от того, какая техническая платформа используется для изготовления датчика. «Мы отвечаем на вопрос, насколько точным может быть датчик при существующих возможностях управления, и даем рецепт, как этого можно достичь», — объясняют Денис Васильев и Рафаэль Каубрюггер из группы Петера Золлера в Институте квантовой оптики и квантовой информации при Австрийская академия наук в Инсбруке.
Для этого физики используют метод квантовой обработки информации: вариационные квантовые алгоритмы описывают схему квантовых вентилей, которая зависит от свободных параметров. С помощью процедур оптимизации датчик самостоятельно находит наилучшие настройки для достижения оптимального результата. «Мы применили этот метод к задаче из метрологии — науки об измерениях», — объясняют Васильев и Каубрюггер. «Это захватывающе, потому что исторически достижения в атомной физике были обусловлены метрологией, а из нее, в свою очередь , возникла квантовая обработка информации . Итак, мы прошли здесь полный круг», — говорит Петер Золлер. Благодаря новому подходу ученые могут оптимизировать квантовые датчики до такой степени, что они достигают максимально возможной технически допустимой точности.
Более точные измерения с небольшими дополнительными усилиями
Некоторое время считалось, что атомные часы может работать еще точнее, используя квантово-механическую запутанность. Однако для таких приложений не хватало методов реализации надежной запутанности. Физики из Инсбрука теперь используют индивидуальную запутанность, которая точно соответствует требованиям реального мира. С помощью своего метода они генерируют именно ту комбинацию, состоящую из квантового состояния и измерений, которая оптимальна для каждого отдельного квантового датчика. Это позволяет приблизить точность датчика к оптимально возможной по законам природы лишь с небольшим увеличением накладных расходов. «Разрабатывая квантовые компьютеры, мы научились создавать запутанные состояния по индивидуальному заказу», — говорит Кристиан Марсиняк из Департамента экспериментальной физики Университета Инсбрука. »
Демонстрация квантового преимущества с помощью датчиков
Эта теоретическая концепция впервые была реализована на практике в Университете Инсбрука, как сообщила исследовательская группа под руководством Томаса Монца и Райнера Блатта в журнале Nature .. Физики выполнили измерения частоты на основе вариационных квантовых расчетов на своем квантовом компьютере с ионной ловушкой. Поскольку взаимодействия, используемые в линейных ионных ловушках, по-прежнему относительно легко моделировать на классических компьютерах, коллеги-теоретики смогли проверить необходимые параметры на суперкомпьютере в Университете Инсбрука. Хотя экспериментальная установка отнюдь не идеальна, результаты на удивление хорошо согласуются с теоретически предсказанными значениями. Поскольку такое моделирование возможно не для всех датчиков, ученые продемонстрировали второй подход: они использовали методы автоматической оптимизации параметров без предварительного знания. «Подобно машинному обучению, программируемый квантовый компьютер автономно находит свой оптимальный режим в качестве высокоточного датчика», — говорит физик-экспериментатор Томас Фельдкер.
«Наша концепция позволяет продемонстрировать преимущество квантовых технологий перед классическими компьютерами в решении проблемы, имеющей практическое значение», — подчеркивает Петер Золлер. «Мы продемонстрировали важнейший компонент квантово-усиленных атомных часов с помощью нашей вариационной интерферометрии Рамсея. Следующим шагом будет запуск этого в специальных атомных часах. То, что до сих пор было показано только для расчетов сомнительной практической значимости, теперь может быть продемонстрировано с помощью программируемый квантовый датчик в ближайшем будущем — квантовое преимущество».
Результаты были опубликованы в журналах Nature и Physical Review X.
