Kwantumsensortechnologie belooft nog nauwkeurigere metingen van fysieke grootheden. Een team onder leiding van Christian Roos van de Universiteit van Innsbruck heeft nu de signalen van maar liefst 91 kwantumsensoren met elkaar vergeleken en zo met succes de ruis veroorzaakt door interacties met de omgeving geëlimineerd.

De kwantumsystemen die in kwantumtechnologieën worden gebruikt, zijn ook erg gevoelig:elke interactie met de omgeving kan veranderingen in het kwantumsysteem veroorzaken, wat tot fouten kan leiden. Deze opmerkelijke gevoeligheid van kwantumsystemen voor omgevingsfactoren vertegenwoordigt echter feitelijk een uniek voordeel. Dankzij deze gevoeligheid kunnen kwantumsensoren conventionele sensoren in precisie overtreffen, bijvoorbeeld bij het meten van magnetische of zwaartekrachtvelden.

Ruisonderdrukking met behulp van correlatiespectroscopie

De delicate kwantumeigenschappen die nodig zijn voor detectie kunnen worden bedekt door ruis:snelle interacties tussen de sensor en de omgeving die de informatie in de sensor verstoren, waardoor het kwantumsignaal onleesbaar wordt. In een nieuw artikel gepubliceerd in Physical Review X presenteren natuurkundigen onder leiding van Christian Roos van de afdeling Experimentele Natuurkunde van de Universiteit van Innsbruck, samen met partners in Israël en de VS, een methode om deze informatie weer toegankelijk te maken met behulp van 'correlatiespectroscopie'.

"Het belangrijkste idee hier is dat we niet slechts één enkele sensor gebruiken, maar een netwerk van maximaal 91 sensoren, elk bestaande uit een enkel atoom", legt Helene Hainzer, de eerste auteur van het artikel, uit. "Aangezien ruis alle sensoren in gelijke mate beïnvloedt, stelt het analyseren van gelijktijdige veranderingen in de toestand van alle sensoren ons in staat om de omgevingsruis effectief af te trekken en de gewenste informatie te reconstrueren.

"Hierdoor kunnen we de magnetische veldvariaties in de omgeving nauwkeurig meten en de afstand tussen de kwantumsensoren bepalen." Daarnaast is de methode toepasbaar voor andere sensortaken en binnen diverse experimentele platforms, wat de veelzijdigheid ervan weerspiegelt.

De precisie neemt toe met het aantal sensoren

Hoewel correlatiespectroscopie eerder is aangetoond met twee atoomklokken, waardoor een superieure nauwkeurigheid bij het meten van de tijd mogelijk is, "markeert ons werk de eerste toepassing van deze methode op zo'n groot aantal atomen", zegt Roos. "Om experimentele controle over zoveel atomen te krijgen, hebben we over meerdere jaren een geheel nieuwe experimentele opstelling gebouwd."

In hun publicatie laten de wetenschappers uit Innsbruck zien dat de nauwkeurigheid van de sensormetingen toeneemt met het aantal deeltjes in het sensornetwerk. Met name verstrengeling – traditioneel gebruikt om de precisie van kwantumsensoren te verbeteren, maar moeilijk te creëren in het laboratorium – biedt geen voordeel vergeleken met het multi-sensornetwerk.

Meer informatie: H. Hainzer et al., Correlatiespectroscopie met multiqubit-verbeterde faseschatting, Fysieke beoordeling X (2024). DOI:10.1103/PhysRevX.14.011033

Journaalinformatie: Fysieke beoordeling X

Aangeboden door de Universiteit van Innsbruck