Atoomklokken zijn de beste sensoren die de mensheid ooit heeft gebouwd. Tegenwoordig zijn ze te vinden in nationale normalisatie-instituten of satellieten van navigatiesystemen. Over de hele wereld werken wetenschappers aan het verder optimaliseren van de precisie van deze klokken. Nu heeft een onderzoeksgroep onder leiding van Peter Zoller, een theoreticus uit Innsbruck, Oostenrijk, een nieuw concept ontwikkeld dat kan worden gebruikt om sensoren met nog grotere precisie te bedienen, ongeacht welk technisch platform wordt gebruikt om de sensor te maken. "We beantwoorden de vraag hoe nauwkeurig een sensor kan zijn met bestaande regelmogelijkheden en geven een recept voor hoe dit kan worden bereikt", leggen Denis Vasilyev en Raphael Kaubrügger van de groep van Peter Zoller aan het Institute of Quantum Optics and Quantum Information van het Institute of Quantum Optics and Quantum Information uit. Oostenrijkse Academie van Wetenschappen in Innsbruck.

Hiervoor gebruiken de natuurkundigen een methode uit de kwantuminformatieverwerking:Variationele kwantumalgoritmen beschrijven een circuit van kwantumpoorten dat afhankelijk is van vrije parameters. Door optimalisatieroutines vindt de sensor autonoom de beste instellingen voor een optimaal resultaat. "We hebben deze techniek toegepast op een probleem uit de metrologie - de wetenschap van meten", leggen Vasilyev en Kaubrügger uit. "Dit is opwindend omdat historisch gezien vooruitgang in de atoomfysica werd gemotiveerd door metrologie, en daaruit kwam de verwerking van kwantuminformatie voort. Dus hier is de cirkel rond", zegt Peter Zoller. Met de nieuwe aanpak kunnen wetenschappers kwantumsensoren optimaliseren tot het punt waarop ze de best mogelijke precisie bereiken die technisch toelaatbaar is.

Betere metingen met weinig extra inspanning

Het is al enige tijd duidelijk dat atoomklokken nog nauwkeuriger kunnen werken door gebruik te maken van kwantummechanische verstrengeling. Er is echter een gebrek aan methoden om robuuste verstrengeling voor dergelijke toepassingen te realiseren. De natuurkundigen van Innsbruck gebruiken nu op maat gemaakte verstrengeling die precies is afgestemd op de eisen van de echte wereld. Met hun methode genereren ze precies die combinatie bestaande uit kwantumtoestand en metingen die optimaal is voor elke individuele kwantumsensor. Hierdoor kan de nauwkeurigheid van de sensor in de buurt komen van het optimale volgens de natuurwetten, met slechts een kleine toename van de overhead. "Bij de ontwikkeling van kwantumcomputers hebben we geleerd om op maat gemaakte verstrengelde toestanden te creëren", zegt Christian Marciniak van de afdeling Experimentele Fysica van de Universiteit van Innsbruck. "We gebruiken deze kennis nu om betere sensoren te bouwen."

Kwantumvoordeel demonstreren met sensoren

Dit theoretische concept werd nu voor het eerst in de praktijk geïmplementeerd aan de Universiteit van Innsbruck, zoals de onderzoeksgroep onder leiding van Thomas Monz en Rainer Blatt nu meldde in Nature . De natuurkundigen voerden frequentiemetingen uit op basis van variabele kwantumberekeningen op hun ionenvalkwantumcomputer. Omdat de interacties die worden gebruikt in lineaire ionenvallen nog relatief eenvoudig te simuleren zijn op klassieke computers, konden de theorie-collega's de benodigde parameters controleren op een supercomputer van de Universiteit van Innsbruck. Hoewel de experimentele opstelling zeker niet perfect is, komen de resultaten verrassend goed overeen met de theoretisch voorspelde waarden. Omdat dergelijke simulaties niet voor alle sensoren haalbaar zijn, demonstreerden de wetenschappers een tweede benadering:ze gebruikten methoden om de parameters automatisch te optimaliseren zonder voorkennis. "Net als machinaal leren, vindt de programmeerbare kwantumcomputer zijn optimale modus autonoom als een zeer nauwkeurige sensor", zegt experimenteel fysicus Thomas Feldker, die het onderliggende mechanisme beschrijft.

"Ons concept maakt het mogelijk om het voordeel van kwantumtechnologieën ten opzichte van klassieke computers aan te tonen op een probleem van praktische relevantie", benadrukt Peter Zoller. "We hebben een cruciaal onderdeel van kwantumversterkte atoomklokken gedemonstreerd met onze variabele Ramsey-interferometrie. Het uitvoeren hiervan in een speciale atoomklok is de volgende stap. Wat tot nu toe alleen is aangetoond voor berekeningen met twijfelachtige praktische relevantie, kan nu worden aangetoond met een programmeerbare kwantumsensor in de nabije toekomst - kwantumvoordeel."

De resultaten zijn gepubliceerd in de tijdschriften Nature en Fysieke beoordeling X. + Verder verkennen

Het manipuleren van de donkere toestanden van supergeleidende circuits in een microgolfgolfgeleider