B МФТИ создан новый прибор для квантовой метрологии
Ученые из лаборатории физики квантовых информационных технологий МФТИ совместно с сотрудником Аргоннской национальной лаборатории (США) реализовали современный квантовый алгоритм для измерения физических величин с помощью простейших оптических приборов. Результаты исследования приближают появление доступных высокоточных сенсоров на базе линейной оптики, которые могут найти применение в самых разных научных направлениях: от астрономии до биологии.
Чувствительность измерительных приборов является важнейшей характеристикой во всех областях науки и техники: астрономам необходимо точно детектировать далекие космические явления, биологам — различать мельчайшие органические структуры, а инженерам — измерять положения или скорости различных объектов. До недавнего времени ни одно из существовавших измерительных устройств не могло обеспечить точности выше так называемого предела дробового шума — ограничения, обусловленного статистическими особенностями классических измерений. Однако с возникновением квантовых технологий появилась возможность обойти эту преграду и достичь наивысшего гейзенберговского предела точности, который, в свою очередь, объясняется основными принципами квантовой механики. Пример LIGO (обсерватории, на установках которой несколько лет назад были детектированы гравитационные волны) показывает, что гейзенберговская чувствительность может быть достигнута с помощью сочетания сложных оптических интерференционных схем с квантовыми технологиями.
Новейшая область физики — квантовая метрология — изучает технические и алгоритмические средства для осуществления высокоточных квантовых измерений. Физики из МФТИ и Аргоннской национальной лаборатории решили совместить методы квантовой метрологии с линейной оптикой.
"Мы придумали и построили оптическую схему, выполняющую процедуру оценки фазы на основе преобразования Фурье. Эта процедура является главным компонентом многих известных квантовых алгоритмов, в том числе, она используется в высокоточных измерительных протоколах", — рассказывает один из авторов статьи Никита Кирсанов из МФТИ.
Экспериментальная установка, состоящая из очень большого числа линейных оптических элементов (светоделителей, фазовых пластин и зеркал), позволяет получать информацию о геометрических углах, положениях, скоростях и других параметрах физических объектов. Для измерения той или иной величины необходимо "закодировать" ее в оптические фазы, непосредственно измеряемые в эксперименте.
"Эта работа является продолжением нашей исследовательской деятельности в области универсальных квантовых измерительных алгоритмов. Ранее совместно с финской группой из Университета Аалто мы экспериментально реализовали аналогичный измерительный алгоритм, но на базе трансмонных кубитов", — говорит руководитель проекта заведующий лабораторией физики квантовых информационных технологий МФТИ Гордей Лесовик.
Эксперимент показал, что, несмотря на большое количество оптических элементов, интерференционная схема поддается настройке и контролю. Кроме того, согласно теоретическим оценкам, приведенным в статье, средствами линейной оптики можно реализовывать операции даже значительно большей сложности. Таким образом, ученые показали, что линейная оптика является доступной и эффективной платформой для реализации квантовых измерительных и вычислительных операций умеренного масштаба.
