Atomklockor är de bästa sensorerna som mänskligheten någonsin har byggt. Idag kan de hittas i nationella standardiseringsinstitut eller satelliter för navigationssystem. Forskare över hela världen arbetar för att ytterligare optimera precisionen hos dessa klockor. Nu har en forskargrupp ledd av Peter Zoller, en teoretiker från Innsbruck, Österrike, utvecklat ett nytt koncept som kan användas för att driva sensorer med ännu större precision oavsett vilken teknisk plattform som används för att tillverka sensorn. "Vi svarar på frågan om hur exakt en sensor kan vara med befintliga kontrollmöjligheter, och ger ett recept på hur detta kan uppnås", förklarar Denis Vasilyev och Raphael Kaubrügger från Peter Zollers grupp vid Institute of Quantum Optics and Quantum Information vid Österrikiska vetenskapsakademin i Innsbruck.

För detta ändamål använder fysikerna en metod från kvantinformationsbehandling:Varierande kvantalgoritmer beskriver en krets av kvantgrindar som beror på fria parametrar. Genom optimeringsrutiner hittar sensorn självständigt de bästa inställningarna för ett optimalt resultat. "Vi tillämpade den här tekniken på ett problem från metrologi - vetenskapen om mätning," förklarar Vasilyev och Kaubrügger. "Det här är spännande eftersom historiska framsteg inom atomfysik motiverades av metrologi, och i sin tur uppstod kvantinformationsbehandling ur det. Så vi har kommit en hel cirkel här," säger Peter Zoller. Med det nya tillvägagångssättet kan forskare optimera kvantsensorer till den punkt där de uppnår bästa möjliga precision som är tekniskt tillåten.

Bättre mått med lite extra ansträngning

Under en tid har man förstått att atomklockor kunde gå ännu mer exakt genom att utnyttja kvantmekanisk intrassling. Det har dock funnits en brist på metoder för att realisera robust intrassling för sådana applikationer. Innsbruck-fysikerna använder nu skräddarsydda förvecklingar som är exakt anpassade till verkliga krav. Med sin metod genererar de exakt den kombination bestående av kvanttillstånd och mätningar som är optimal för varje enskild kvantsensor. Detta gör att sensorns precision kan föras nära det optimala möjliga enligt naturlagarna, med endast en liten ökning av overhead. "I utvecklingen av kvantdatorer har vi lärt oss att skapa skräddarsydda intrasslade tillstånd", säger Christian Marciniak från Institutionen för experimentell fysik vid universitetet i Innsbruck. "Vi använder nu denna kunskap för att bygga bättre sensorer."

Visar kvantfördelar med sensorer

Detta teoretiska koncept implementerades nu i praktiken för första gången vid universitetet i Innsbruck, vilket forskargruppen ledd av Thomas Monz och Rainer Blatt nu rapporterade i Nature . Fysikerna utförde frekvensmätningar baserade på variationsmässiga kvantberäkningar på sin jonfälla kvantdator. Eftersom interaktionerna som används i linjära jonfällor fortfarande är relativt lätta att simulera på klassiska datorer, kunde teorikollegorna kontrollera de nödvändiga parametrarna på en superdator vid universitetet i Innsbruck. Även om experimentupplägget inte på något sätt är perfekt, stämmer resultaten förvånansvärt väl överens med de teoretiskt förutsagda värdena. Eftersom sådana simuleringar inte är genomförbara för alla sensorer, visade forskarna ett andra tillvägagångssätt:De använde metoder för att automatiskt optimera parametrarna utan förkunskaper. "I likhet med maskininlärning hittar den programmerbara kvantdatorn sitt optimala läge autonomt som en högprecisionssensor", säger experimentfysikern Thomas Feldker och beskriver den underliggande mekanismen.

"Vårt koncept gör det möjligt att demonstrera fördelen med kvantteknik jämfört med klassiska datorer på ett problem av praktisk relevans", betonar Peter Zoller. "Vi har visat en avgörande komponent av kvantförstärkta atomklockor med vår variationsrika Ramsey-interferometri. Att köra detta i en dedikerad atomklocka är nästa steg. Det som hittills bara har visats för beräkningar av tvivelaktig praktisk relevans kunde nu demonstreras med en programmerbar kvantsensor inom en snar framtid – kvantfördel."

Resultaten publicerades i tidskrifterna Nature och Fysisk granskning X. + Utforska vidare

Manipulera de mörka tillstånden hos supraledande kretsar i en mikrovågsvågledare