Визуальное сравнение знакомого процесса сжатия воздушного шара и концепции квантового сжатия в датчике. Источник: Университет Тохоку
Квантовое сжатие — это концепция в квантовой физике, при которой неопределенность в одном аспекте системы уменьшается, а неопределенность в другом связанном аспекте увеличивается.
Представьте себе, что вы сжимаете круглый шарик, наполненный воздухом. В своем обычном состоянии шарик имеет идеальную сферическую форму. Когда вы сжимаете одну сторону, он сплющивается и растягивается в другом направлении. Это представляет то, что происходит в сжатом квантовом состоянии: вы уменьшаете неопределенность (или шум) в одной величине, например, в положении, но при этом вы увеличиваете неопределенность в другой величине, например, в импульсе.
Однако общая неопределенность остается прежней, поскольку вы просто перераспределяете ее между двумя. Даже если общая неопределенность остается прежней, это «сжатие» позволяет вам измерить одну из этих переменных с гораздо большей точностью, чем раньше.
Этот метод уже использовался для повышения точности измерений в ситуациях, когда необходимо точно измерить только одну переменную, например, для повышения точности атомных часов. Однако использование сжатия в случаях, когда необходимо одновременно измерить несколько факторов, например, положение и импульс объекта, является гораздо более сложной задачей.
В новой статье, опубликованной в журнале Physical Review Research, доктор Ле Бин Хо из Университета Тохоку исследует эффективность метода сжатия для повышения точности измерений в квантовых системах с несколькими факторами. Анализ дает теоретические и численные сведения, помогая в выявлении механизмов достижения максимальной точности в этих сложных измерениях.
«Цель исследования — лучше понять, как квантовое сжатие может использоваться в более сложных измерительных ситуациях, включающих оценку нескольких фаз», — сказал Ле. «Выяснив, как достичь наивысшего уровня точности, мы можем проложить путь к новым технологическим прорывам в квантовом считывании и визуализации».
Исследование рассматривало ситуацию, когда трехмерное магнитное поле взаимодействует с ансамблем идентичных двухуровневых квантовых систем. В идеальных случаях точность измерений может быть настолько точной, насколько это теоретически возможно. Однако более ранние исследования пытались объяснить, как это работает, особенно в реальных ситуациях, когда только одно направление достигает полной квантовой запутанности.
Это исследование будет иметь широкие последствия. Сделав квантовые измерения более точными для нескольких фаз, оно может значительно продвинуть различные технологии. Например, квантовая визуализация может создавать более четкие изображения, квантовый радар может точнее обнаруживать объекты, а атомные часы могут стать еще точнее, улучшив GPS и другие чувствительные ко времени технологии.
В биофизике это может привести к прогрессу в таких методах, как МРТ, и повысить точность молекулярных и клеточных измерений, улучшив чувствительность биосенсоров, используемых для раннего выявления заболеваний.
«Наши результаты способствуют более глубокому пониманию механизмов, лежащих в основе повышения точности измерений в квантовом зондировании», — добавляет Ле. «Это исследование не только раздвигает границы квантовой науки, но и закладывает основу для следующего поколения квантовых технологий».
Заглядывая вперед, Ле надеется изучить, как этот механизм меняется в зависимости от различных типов шума, и найти способы его уменьшения.
Дополнительная информация: Ле Бин Хо, Индуцированная сжатием квантово-усиленная многофазная оценка, Physical Review Research (2024). DOI: 10.1103/PhysRevResearch.6.033292
Информация о журнале: Physical Review Research
Предоставлено Университетом Тохоку
