Forskare från Moskva institutet för fysik och teknik, tillsammans med en kollega från Argonne National Laboratory, USA, har implementerat en avancerad kvantalgoritm för att mäta fysiska mängder med hjälp av enkla optiska verktyg. Publicerad i Vetenskapliga rapporter , deras studie tar oss ett steg närmare prisvärda linjära optikbaserade sensorer med högpresterande egenskaper. Sådana verktyg är eftertraktade inom olika forskningsområden, från astronomi till biologi.

Att maximera mätverktygens känslighet är avgörande för alla vetenskaps- och teknikområden. Astronomer försöker upptäcka avlägsna kosmiska fenomen, biologer måste urskilja ytterst små organiska strukturer, och ingenjörer måste mäta föremålens positioner och hastigheter, för att nämna några exempel.

Tills nyligen, inget mätverktyg kan säkerställa precision över den så kallade skottbrusgränsen, som har att göra med de statistiska särdragen som finns i klassiska observationer. Kvanttekniken har gett en väg runt detta, öka precisionen till den grundläggande Heisenberg -gränsen, härstammar från de grundläggande principerna för kvantmekanik. LIGO -experimentet, som upptäckte gravitationella vågor för första gången 2016, visar att det är möjligt att uppnå Heisenberg-begränsad känslighet genom att kombinera komplexa optiska interferensscheman och kvanttekniker.

Kvantmetrologi är ett avancerat fysikområde som handlar om de tekniska och algoritmiska verktygen för att göra mycket exakta kvantmätningar. I deras senaste studie, teamet från MIPT och ANL sammanfogade kvantmetrologi med linjär optik.

"Vi utarbetade och konstruerade ett optiskt schema som kör Fouriers transformbaserade fasestimeringsprocedur, "sa studieförfattaren Nikita Kirsanov från MIPT." Detta förfarande ligger i kärnan i många kvantalgoritmer, inklusive högprecisionsmätprotokoll. "

Ett specifikt arrangemang av ett mycket stort antal linjära optiska element - stråldelare, fasväxlar, och speglar - gör det möjligt att få information om de geometriska vinklarna, positioner, hastigheter såväl som andra parametrar för fysiska objekt. Mätningen innefattar kodning av mängden intresse i de optiska faserna, som sedan bestäms direkt.

"Denna forskning är en uppföljning av vårt arbete med universella kvantmätningsalgoritmer, "kommenterade huvudutredaren Gordey Lesovik, som leder MIPT Laboratory of the Physics of Quantum Information Technology. "I ett tidigare samarbete med en forskargrupp från Aalto -universitetet i Finland, vi implementerade experimentellt en liknande mätalgoritm på transmon qubits. "

Experimentet visade att trots det stora antalet optiska element i schemat, den är ändå avstämbar och kontrollerbar. Enligt de teoretiska uppskattningarna i papperet är linjära optikverktyg lönsamma för att genomföra även operationer som är betydligt mer komplexa.

"Studien har visat att linjär optik erbjuder en prisvärd och effektiv plattform för att genomföra måttlig skala kvantmätningar och beräkningar, "sade Argonne Distinguished Fellow Valerii Vinokur.