Onderzoekers van het Moscow Institute of Physics and Technology (MIPT), Aalto-universiteit in Finland, en ETH Zürich hebben een prototype-apparaat gedemonstreerd dat kwantumeffecten en machine learning gebruikt om magnetische velden nauwkeuriger te meten dan zijn klassieke analogen. Dergelijke metingen zijn nodig om minerale afzettingen te zoeken, verre astronomische objecten ontdekken, hersenaandoeningen diagnosticeren, en betere radars te creëren.

"Als je de natuur bestudeert, of je nu het menselijk brein onderzoekt of een supernova-explosie, je hebt altijd te maken met een soort elektromagnetische signalen, " legt Andrey Lebedev uit, een co-auteur van het artikel waarin het nieuwe apparaat wordt beschreven in npj Quantum-informatie . "Dus het meten van magnetische velden is noodzakelijk in verschillende gebieden van wetenschap en technologie, en men zou dit zo nauwkeurig mogelijk willen doen."

Quantum magnetometer biedt meer precisie

Een magnetometer is een instrument dat magnetische velden meet. Een kompas is een voorbeeld van een primitieve magnetometer. In een elektronicawinkel, men kan meer geavanceerde apparaten van dit soort vinden die door archeologen worden gebruikt. Militaire mijndetectoren en metaaldetectoren op luchthavens zijn ook magnetometers.

Er is een fundamentele beperking aan de nauwkeurigheid van dergelijke instrumenten, bekend als de standaard kwantumlimiet. In principe, er staat dat om de precisie te verdubbelen, een meting moet vier keer zo lang duren. Deze regel is van toepassing op elk klassiek apparaat, dat wil zeggen een die geen gebruik maakt van de bizarre effecten van de kwantumfysica.

"Het lijkt misschien onbeduidend, maar om er 1 te krijgen 000 keer in precisie, je zou het experiment 1 miljoen keer langer moeten uitvoeren. Aangezien sommige metingen in het begin weken in beslag nemen, de kans is groot dat u een stroomstoring krijgt of zonder geld komt voordat het experiment voorbij is, " zegt Lebedev, die een vooraanstaand onderzoeker is aan het Laboratory of the Physics of Quantum Information Technology, MIPT.

Het bereiken van een hogere nauwkeurigheid, en dus kortere meettijden, is cruciaal bij het onderzoeken van fragiele monsters of levend weefsel. Bijvoorbeeld, wanneer een patiënt positronemissietomografie ondergaat, ook wel PET-scan genoemd, radioactieve tracers worden in de bloedbaan gebracht, en hoe gevoeliger de detector is, hoe kleiner de benodigde dosis.

In theorie, kwantumtechnologie maakt het mogelijk om de nauwkeurigheid van een meting te verdubbelen door deze twee keer te herhalen in plaats van vier keer zoals in het geval van een klassieke magnetometer. Het artikel dat in dit verhaal wordt gerapporteerd, beschrijft de eerste succesvolle poging om dit principe in praktijk te brengen met behulp van een supergeleidende qubit als meetinstrument.

Qubits meten magnetische velden

Een qubit is een deeltje dat voldoet aan de wetten van de kwantumfysica en tegelijkertijd twee discrete basistoestanden kan innemen in wat bekend staat als een superpositie. Dit begrip verwijst naar een veelvoud van "tussenliggende" toestanden, die elk in een van de twee basistoestanden instorten zodra ze worden gemeten. Een voorbeeld van een qubit is een waterstofatoom waarvan de twee basistoestanden de grond en de aangeslagen toestand zijn.

In de studie van Lebedev en co-auteurs, de qubit werd gerealiseerd als een supergeleidend kunstmatig atoom, een microscopische structuur gemaakt van dunne aluminiumfilms en afgezet op een siliciumchip die in een krachtige koelkast wordt bewaard. Bij temperaturen dicht bij het absolute nulpunt, dit apparaat gedraagt ​​zich als een atoom. Vooral, door een specifiek deel van de microgolfstraling te absorberen die via een kabel naar de qubit wordt gevoerd, het kan een evenwichtige superpositie van de twee basistoestanden ingaan. Als de toestand van het apparaat vervolgens wordt gecontroleerd, de meting zal de grond en de aangeslagen toestand detecteren met een gelijke waarschijnlijkheid van 50 procent.

Supergeleidende qubits onderscheiden zich door hun gevoeligheid voor magnetische velden, die kunnen worden gebruikt voor het maken van metingen. Zodra een geschikte microgolfstralingspuls is gebruikt om het apparaat in een gebalanceerde superpositie van de grond en de aangeslagen toestanden te brengen, deze nieuwe staat begint voorspelbaar te veranderen met de tijd. Om deze statusverandering bij te houden, wat een functie is van het externe magnetische veld, de onderzoekers stuurden na een korte vertraging een tweede microgolfpuls naar het apparaat en maten de kans om de qubit in de aangeslagen toestand te vinden. Deze kans, die werd berekend over veel identieke experimenten die snel achter elkaar werden uitgevoerd, geeft de sterkte van het magnetische veld aan. De precisie van deze kwantumtechnologie overtreft de standaard kwantumlimiet.

Qubit-training

"Een echte fysieke qubit is onvolmaakt. Het is een door mensen gemaakt apparaat, in plaats van een wiskundige abstractie. Dus in plaats van een theoretische formule te gebruiken, we trainen de qubit voordat we echte metingen doen, ", zegt Lebedev. "Dit is de eerste keer dat machine learning is toegepast op een kwantummagnetometer, " hij voegt toe.

Qubit-training bestaat uit het doen van veel voorbereidende metingen onder gecontroleerde omstandigheden met vooraf bepaalde vertragingen tussen pulsen en in een reeks bekende magnetische velden. De auteurs bepaalden daarbij de waarschijnlijkheid van het detecteren van de aangeslagen toestand na de opeenvolging van twee pulsen voor een willekeurig veld en pulsvertraging. De onderzoekers zetten hun bevindingen neer in een diagram, die dient als een vingerafdruk voor het individuele apparaat dat in het onderzoek is gebruikt, rekening houdend met al zijn onvolkomenheden.

Het punt van de monstervingerafdruk is dat de vertragingstijden tussen pulsen kunnen worden geoptimaliseerd tijdens herhaalde metingen. "We voeren adaptieve metingen uit, " zegt Lebedev. "Bij de eerste stap, we nemen een meting met een bepaalde vertraging tussen de microgolfpulsen. Vervolgens, afhankelijk van het resultaat, we laten ons patroonherkenningsalgoritme beslissen hoe de vertraging voor de volgende iteratie wordt ingesteld. Dit resulteert in een hogere precisie over minder metingen."

Qubits in het lab, ziekenhuis, en de ruimte

Tot dusver, het prototype-apparaat en de supergeleidende qubits werken slechts op ongeveer 0,02 graden boven het absolute nulpunt, wat wordt gedefinieerd als -273,15 graden Celsius. "Dit is een stuk of 15, 000 keer kouder dan kamertemperatuur, "Lebedev wijst erop. "Ingenieurs werken aan het verhogen van de bedrijfstemperatuur van dergelijke apparaten tot 4 kelvin [-269 C]. Dit zou koeling met vloeibaar helium mogelijk maken, waardoor de technologie commercieel levensvatbaar is."

Het prototype is getest op een statisch magnetisch veld, maar in de tijd variërende of transiënte velden kunnen op dezelfde manier worden gemeten. Het onderzoeksteam doet al experimenten met variabele velden, uitbreiding van het potentiële scala aan toepassingen van hun apparaat.

Bijvoorbeeld, een kwantummagnetometer zou op een satelliet kunnen worden gemonteerd om astronomische verschijnselen te observeren die te zwak zijn voor klassieke instrumenten. handig, de koude omstandigheden in de ruimte maken koeling iets minder een probleem. Daarnaast, een systeem van kwantummagnetometers zou kunnen werken als een ultragevoelige radar. Andere toepassingen van dergelijke niet-klassieke instrumenten zijn onder meer MRI-scans, minerale prospectie, en onderzoek naar de structuur van biomoleculen en anorganische materialen.

Hoe informatie over het externe veld uit een qubit te halen

Zodra de eerste microgolfpuls door de magnetometer is geabsorbeerd, het komt in een superpositie van de grond en aangeslagen toestanden. Dit kan worden gevisualiseerd door de twee basistoestanden van de qubit voor te stellen als de twee polen van een bol, waarbij elk punt op de bol staat voor een staat van superpositie. In deze analogie de eerste puls drijft de toestand van de qubit van de noordpool - de grondtoestand - naar een punt op de evenaar (figuur 2a). Een directe meting van deze toestand van gebalanceerde superpositie zou ertoe leiden dat de grond- of aangeslagen toestand met even kansen wordt gedetecteerd.

Na de eerste puls, de qubit wordt gevoelig voor het externe veld. Dit manifesteert zich als een voorspelbare verandering van de kwantumtoestand van het apparaat. Het kan worden afgebeeld als een punt dat langs de evenaar van een bol draait (figuur 2b). Hoe snel dit punt roteert, hangt af van de sterkte van het externe veld. Dit betekent dat door een manier te vinden om de rotatiehoek X over een bekende tijdsperiode te meten, het veld kan worden gekwantificeerd.

De grootste uitdaging is om onderscheid te maken tussen de verschillende staten op de evenaar:tenzij er een truc wordt gebruikt, de meting zou precies 50 procent van de tijd de aangeslagen toestand teruggeven. Dit is de reden waarom de natuurkundigen een tweede microgolfpuls naar de qubit stuurden en pas daarna de toestand ervan controleerden. Het idee achter de tweede puls is dat het voorspelbaar de toestand van het apparaat van de evenaar verschuift, in een van de hemisferen. Nutsvoorzieningen, de kans op het meten van een aangeslagen toestand hangt af van hoeveel de toestand is gedraaid sinds de eerste puls, dat is, hoek X. Door de reeks van twee pulsen en een meting vele malen te herhalen, de auteurs berekenden de kans op een aangeslagen toestand, en dus de hoek X en de sterkte van het magnetische veld. Dit principe ligt ten grondslag aan de werking van hun magnetometer.