Onderzoekers van het Moskouse Instituut voor Natuurkunde en Technologie, vergezeld door een collega van het Argonne National Laboratory, ONS., hebben een geavanceerd kwantumalgoritme geïmplementeerd voor het meten van fysieke hoeveelheden met behulp van eenvoudige optische hulpmiddelen. Gepubliceerd in Wetenschappelijke rapporten , hun onderzoek brengt ons een stap dichter bij betaalbare lineaire optica-gebaseerde sensoren met hoge prestatiekenmerken. Dergelijke instrumenten zijn gewild in diverse onderzoeksgebieden, van astronomie tot biologie.

Het maximaliseren van de gevoeligheid van meetinstrumenten is cruciaal voor elk gebied van wetenschap en technologie. Astronomen proberen verre kosmische fenomenen te detecteren, biologen moeten uiterst kleine organische structuren onderscheiden, en ingenieurs moeten de posities en snelheden van objecten meten, om een ​​paar voorbeelden te noemen.

Tot voor kort, geen meetinstrument kan precisie garanderen boven de zogenaamde schotruislimiet, wat te maken heeft met de statistische kenmerken die inherent zijn aan klassieke waarnemingen. Quantumtechnologie heeft hier een oplossing voor geboden, het verhogen van de precisie tot de fundamentele Heisenberg-limiet, voortkomend uit de basisprincipes van de kwantummechanica. Het LIGO-experiment, die in 2016 voor het eerst zwaartekrachtsgolven detecteerde, laat zien dat het mogelijk is om Heisenberg-beperkte gevoeligheid te bereiken door complexe optische interferentieschema's en kwantumtechnieken te combineren.

Kwantummetrologie is een geavanceerd natuurkundig gebied dat zich bezighoudt met de technologische en algoritmische hulpmiddelen voor het maken van zeer nauwkeurige kwantummetingen. In hun recente studie, het team van MIPT en ANL fuseerde kwantummetrologie met lineaire optica.

"We hebben een optisch schema bedacht en gebouwd dat de op Fourier-transformatie gebaseerde faseschattingsprocedure uitvoert, " zei co-auteur Nikita Kirsanov van MIPT. "Deze procedure vormt de kern van veel kwantumalgoritmen, inclusief zeer nauwkeurige meetprotocollen."

Een specifieke opstelling van een zeer groot aantal lineaire optische elementen - bundelsplitsers, faseverschuivers, en spiegels - maakt het mogelijk om informatie te krijgen over de geometrische hoeken, posities, snelheden en andere parameters van fysieke objecten. De meting omvat het coderen van de hoeveelheid van belang in de optische fasen, die dan direct worden bepaald.

"Dit onderzoek is een vervolg op ons werk aan universele kwantummeetalgoritmen, ", zei hoofdonderzoeker Gordey Lesovik, die aan het hoofd staat van het MIPT Laboratory of the Physics of Quantum Information Technology. "In een eerdere samenwerking met een onderzoeksgroep van de Aalto University in Finland, we hebben experimenteel een vergelijkbaar meetalgoritme geïmplementeerd op transmon-qubits."

Het experiment toonde aan dat ondanks het grote aantal optische elementen in het schema, het is niettemin afstembaar en controleerbaar. Volgens de theoretische schattingen in de papieren lineaire optica zijn gereedschappen levensvatbaar voor het implementeren van zelfs operaties die aanzienlijk complexer zijn.

"De studie heeft aangetoond dat lineaire optica een betaalbaar en effectief platform biedt voor het implementeren van middelgrote kwantummetingen en berekeningen, " zei Argonne Distinguished Fellow Valerii Vinokur.