Het is algemeen bekend dat kwantumfoutcorrectie de prestaties van kwantumsensoren kan verbeteren. Maar nieuw theoretisch werk waarschuwt dat de aanpak onverwacht ook kan leiden tot onnauwkeurige en misleidende resultaten - en laat zien hoe deze tekortkomingen kunnen worden verholpen.

Kwantumsystemen kunnen met elkaar en met hun omgeving interageren op manieren die fundamenteel verschillen van die van hun klassieke tegenhangers. In een kwantumsensor worden de bijzonderheden van deze interacties benut om karakteristieke informatie te verkrijgen over de omgeving van het kwantumsysteem, bijvoorbeeld de sterkte van een magnetisch en elektrisch veld waarin het is ondergedompeld. Cruciaal is dat wanneer zo'n apparaat de wetten van de kwantummechanica op de juiste manier gebruikt, de gevoeligheid ervan kan overtreffen wat mogelijk is, zelfs in principe, met conventionele, klassieke technologieën.

Helaas zijn kwantumsensoren buitengewoon gevoelig, niet alleen voor de fysieke hoeveelheden die van belang zijn, maar ook voor ruis. Een manier om deze ongewenste bijdragen te onderdrukken, is door schema's toe te passen die gezamenlijk bekend staan ​​als kwantumfoutcorrectie (QEC). Deze aanpak trekt veel en steeds meer aandacht, omdat het praktische, zeer nauwkeurige kwantumsensoren mogelijk maakt voor een breder scala aan toepassingen dan nu mogelijk is. Maar de voordelen van foutgecorrigeerde kwantumdetectie hebben grote potentiële bijwerkingen, zoals een team onder leiding van Florentin Reiter, een Ambizione-fellow van de Swiss National Science Foundation die werkt in de groep van Jonathan Home bij het Institute for Quantum Electronics, nu heeft gevonden . Schrijven in Fysieke beoordelingsbrieven , rapporteren ze theoretisch werk waarin ze aantonen dat QEC in realistische omgevingen de output van kwantumsensoren kan verstoren en zelfs tot onfysische resultaten kan leiden. Maar niet alles is verloren; de onderzoekers beschrijven ook procedures om de juiste resultaten te herstellen.

Van de baan afdrijven

Bij het toepassen van QEC op kwantumdetectie worden fouten herhaaldelijk gecorrigeerd naarmate de sensor informatie over de doelhoeveelheid verwerft. Stel je als analogie een auto voor die blijft vertrekken vanuit het midden van de rijstrook waarin hij rijdt. In het ideale geval wordt de drift gecorrigeerd door constant tegensturen. In het equivalente scenario voor kwantumdetectie is aangetoond dat door constante of zeer frequente foutcorrectie de nadelige effecten van ruis volledig kunnen worden onderdrukt, althans in principe. Het verhaal is nogal anders wanneer de bestuurder om praktische redenen alleen op bepaalde tijdstippen corrigerende ingrepen met het stuur kan uitvoeren. Vervolgens moet, zoals de ervaring ons leert, de volgorde van vooruitrijden en corrigerende bewegingen nauwkeurig worden afgestemd. Als de volgorde er niet toe deed, kon de automobilist gewoon alle stuurmanoeuvres thuis in de garage uitvoeren en vervolgens vol vertrouwen het gaspedaal indrukken. De reden waarom dit niet werkt, is dat rotatie en translatie niet commutatief zijn:de volgorde waarin de acties van het ene of het andere type worden uitgevoerd, verandert de uitkomst.

Voor kwantumsensoren kan een enigszins vergelijkbare situatie optreden met niet-pendelende acties, met name voor de "detectieactie" en de "foutactie". De eerste wordt beschreven door de Hamiltoniaanse operator van de sensor, de laatste door foutoperators. Nu heeft Ivan Rojkov, een doctoraal onderzoeker die bij ETH werkt met Reiter en met medewerkers van het Massachusetts Institute of Technology (MIT), ontdekt dat de sensoroutput een systematische vertekening - of "drift" ervaart - wanneer er een vertraging is tussen een fout en de daaropvolgende correctie. Afhankelijk van de lengte van deze vertragingstijd, raakt de dynamiek van het kwantumsysteem, dat idealiter alleen door de Hamiltoniaanse operator zou moeten worden beheerst, vervuild door interferentie door de foutoperatoren. Het resultaat is dat de sensor tijdens de vertraging doorgaans minder informatie verwerft over de hoeveelheid van belang, zoals een magnetisch of elektrisch veld, in vergelijking met een situatie waarin geen fout is opgetreden. Deze verschillende snelheden bij het verzamelen van informatie resulteren dan in een vervorming van de output.

Sensuele waarneming

Deze door QEC veroorzaakte vooringenomenheid is van belang. Als er geen verklaring voor is, kunnen schattingen voor het minimale signaal dat de kwantumsensor kan detecteren, bijvoorbeeld te optimistisch zijn, zoals Rojkov et al. show. Voor experimenten die de grenzen van precisie verleggen, zijn dergelijke verkeerde schattingen bijzonder bedrieglijk. Maar het team biedt ook een ontsnappingsroute om de vooringenomenheid te overwinnen. De hoeveelheid bias die wordt geïntroduceerd door de eindige-snelheid QEC kan worden berekend en door geschikte maatregelen in de nabewerking worden gecorrigeerd, zodat de sensoruitvoer weer volkomen logisch is. Door rekening te houden met het feit dat de QEC tot systematische verschuivingen kan leiden, kan dit helpen om het ideale detectieprotocol te ontwikkelen voorafgaand aan de meting.

Aangezien het in dit werk geïdentificeerde effect aanwezig is in verschillende veelvoorkomende foutgecorrigeerde kwantumdetectieschema's, zullen deze resultaten een belangrijke bijdrage leveren aan het aanpassen van de hoogste precisie van een breed bereik of kwantumsensoren, en ze op schema houden om te leveren op hun belofte om ons naar regimes te leiden die niet kunnen worden onderzocht met klassieke sensoren. + Verder verkennen

Kwantumsystemen corrigeren zichzelf