Forskare från Moskva institutet för fysik och teknik (MIPT), Aalto -universitetet i Finland, och ETH Zürich har demonstrerat en prototypenhet som använder kvanteffekter och maskininlärning för att mäta magnetfält mer exakt än dess klassiska analoger. Sådana mätningar behövs för att söka mineralfyndigheter, upptäcka avlägsna astronomiska objekt, diagnostisera hjärnstörningar, och skapa bättre radar.

"När du studerar naturen, oavsett om du undersöker den mänskliga hjärnan eller en supernova -explosion, du hanterar alltid någon form av elektromagnetiska signaler, "förklarar Andrey Lebedev, en medförfattare till tidningen som beskriver den nya enheten i npj Quantum Information . "Det är därför nödvändigt att mäta magnetfält inom olika vetenskaps- och teknikområden, och man skulle vilja göra detta så exakt som möjligt. "

Kvantmagnetometer ger mer precision

En magnetometer är ett instrument som mäter magnetfält. En kompass är ett exempel på en primitiv magnetometer. I en elektronikbutik, man kan hitta mer avancerade enheter av detta slag som används av arkeologer. Militära gruvdetektorer och metalldetektorer på flygplatser är också magnetometrar.

Det finns en grundläggande begränsning av noggrannheten hos sådana instrument, känd som standardkvantgränsen. I grund och botten, det säger att för att fördubbla precisionen, en mätning måste vara fyra gånger så lång. Denna regel gäller för alla klassiska enheter, det vill säga en som inte utnyttjar de bisarra effekterna av kvantfysik.

"Det kan verka obetydligt, men för att vinna 1, 000 gånger i precision, du måste köra experimentet 1 miljon gånger längre. Med tanke på att vissa mätningar tar veckor till att börja med, chansen är stor att du kommer att få strömavbrott eller slut på medel innan experimentet är över, säger Lebedev, som är en ledande forskare vid Laboratory of the Physics of Quantum Information Technology, MIPT.

Uppnå en högre noggrannhet, och därför kortare mättider, är avgörande när bräckliga prover eller levande vävnad undersöks. Till exempel, när en patient genomgår positronemissionstomografi, även känd som en PET -skanning, radioaktiva spårämnen införs i blodomloppet, och ju mer känslig detektorn är, desto mindre är den nödvändiga dosen.

I teorin, kvanttekniken gör att en mätnings noggrannhet kan ökas två gånger genom att upprepa den två gånger istället för fyra gånger som i fallet med en klassisk magnetometer. Tidningen som rapporteras i denna berättelse beskriver det första framgångsrika försöket att omsätta denna princip i praktiken med hjälp av en superledande qubit som mätanordning.

Qubits mäter magnetfält

En qubit är en partikel som följer kvantfysikens lagar och kan uppta två diskreta grundtillstånd samtidigt i det som kallas en superposition. Denna uppfattning hänvisar till en mängd "mellanliggande" tillstånd, var och en faller ihop till ett av de två grundtillstånden så snart det mäts. Ett exempel på en qubit är en väteatom vars två grundtillstånd är marken och det exciterade tillståndet.

I studien av Lebedev och medförfattare, qubit realiserades som en supraledande artificiell atom, en mikroskopisk struktur gjord av tunna aluminiumfilmer och deponerad på ett kiselchip i ett kraftfullt kylskåp. Vid temperaturer nära den absoluta nollan, denna enhet beter sig som en atom. Särskilt, genom att absorbera en specifik del av mikrovågsstrålning som matas till qubiten via en kabel, den kan gå in i en balanserad överlagring av de två grundtillstånden. Om enhetens tillstånd sedan kontrolleras, mätningen kommer att detektera marken och det exciterade tillståndet med lika stor sannolikhet på 50 procent.

Superledande qubits kännetecknas av sin känslighet för magnetfält, som kan användas för att göra mätningar. När en lämplig mikrovågsstrålningspuls används för att driva enheten till en balanserad överlagring av marken och upphetsade tillstånd, detta nya tillstånd börjar förändras förutsägbart med tiden. För att spåra denna tillståndsförändring, som är en funktion av det yttre magnetfältet, forskarna skickade en andra mikrovågspuls till enheten efter en kort fördröjning och mätte sannolikheten att hitta qubit i upphetsat tillstånd. Denna sannolikhet, som beräknades över många identiska experiment som utfördes i snabb följd, indikerar magnetfältets styrka. Precisionen i denna kvantteknologi överträffar standardkvantgränsen.

Qubit utbildning

"En verklig fysisk qubit är ofullkomlig. Det är en konstgjord enhet, snarare än en matematisk abstraktion. Så istället för att använda en teoretisk formel, vi tränar qubit innan vi gör riktiga mätningar, "säger Lebedev." Detta är första gången maskininlärning har tillämpats på en kvantmagnetometer, " han lägger till.

Qubit -träning består av att göra många preliminära mätningar under kontrollerade förhållanden med förutbestämda förseningar mellan pulser och i en rad kända magnetfält. Författarna bestämde därmed sannolikheten för att detektera det exciterade tillståndet efter sekvensen av två pulser för ett godtyckligt fält och pulsfördröjning. Forskarna ritade upp sina fynd på ett diagram, som fungerar som ett fingeravtryck för den enskilda enheten som används i studien, redogör för alla dess brister.

Poängen med provfingeravtrycket är att fördröjningstiderna mellan pulser kan optimeras under upprepade mätningar. "Vi utför adaptiva mätningar, "säger Lebedev." I det första steget, vi tar en mätning med en viss fördröjning mellan mikrovågspulserna. Sedan, beroende på resultatet, vi låter vår mönsterigenkänningsalgoritm bestämma hur vi ska ställa in fördröjningen för nästa iteration. Detta resulterar i en högre precision över färre mätningar. "

Qubits i labbet, sjukhus, och yttre rymden

Än så länge, prototypenheten och supraledande qubits fungerar bara vid cirka 0,02 grader över absolut noll, som definieras som −273,15 grader Celsius. "Det här är ungefär 15, 000 gånger kallare än rumstemperatur, "Lebedev påpekar." Ingenjörer arbetar med att öka driftstemperaturen för sådana enheter till 4 kelvin [−269 C]. Detta skulle göra kylning med flytande helium möjligt, gör tekniken kommersiellt livskraftig. "

Prototypen har testats på ett statiskt magnetfält, men tidsvarierande eller övergående fält kan mätas på samma sätt. Forskargruppen genomför redan experiment med variabla fält, utöka det möjliga utbudet av applikationer för deras enhet.

Till exempel, en kvantmagnetometer kunde monteras på en satellit för att observera astronomiska fenomen för svaga för klassiska instrument. Bekvämt, de svala rymdförhållandena gör kylning något mindre problem. Förutom, ett system med kvantmagnetometrar kan fungera som en ultrakänslig radar. Ytterligare tillämpningar av sådana icke -klassiska instrument inkluderar MR -skanningar, mineralprospektering, och forskning om biomolekylstruktur och oorganiska material.

Hur man extraherar information om det externa fältet från en qubit

När den första mikrovågspulsen har absorberats av magnetometern, det går in i en superposition av marken och upphetsade tillstånd. Detta kan visualiseras genom att avbilda qubits två grundtillstånd som de två polerna i en sfär, där varandra punkt på sfären representerar något tillstånd av superposition. I denna analogi, den första pulsen driver tillståndet för qubiten från nordpolen - marktillståndet - till någon punkt på ekvatorn (figur 2a). En direkt mätning av detta tillstånd av balanserad superposition skulle resultera i att marken eller exciterat tillstånd detekteras med jämna odds.

Efter den första pulsen, qubit blir känslig för det yttre fältet. Detta manifesteras som en förutsägbar förändring av enhetens kvanttillstånd. Det kan avbildas som en punkt som roterar längs ekvatorn i en sfär (figur 2b). Hur snabbt denna punkt roterar, beror på styrkan i det yttre fältet. Detta innebär att genom att hitta ett sätt att mäta rotationsvinkeln X över en känd tidsperiod, fältet kan kvantifieras.

Den största utmaningen är att skilja mellan de olika tillstånden på ekvatorn:Om inte något trick används, mätningen skulle återge det upphetsade tillståndet exakt 50 procent av tiden. Det är därför som fysikerna skickade en andra mikrovågspuls till qubit och först då kontrollerade dess tillstånd. Tanken bakom den andra pulsen är att den förutsägbart flyttar enhetens tillstånd från ekvatorn, i en av halvklotet. Nu, oddsen för att mäta ett upphetsat tillstånd beror på hur mycket staten har roterat sedan den första pulsen, det är, vinkel X. Genom att upprepa sekvensen för två pulser och en mätning många gånger, författarna beräknade sannolikheten för ett upphetsat tillstånd, och därmed vinkeln X och magnetfältets styrka. Denna princip ligger till grund för driften av deras magnetometer.