Команда исследователей из Московского физико-технического института совместно с иностранными коллегами продемонстрировала сверхчувствительный кубитный магнитометр. Это устройство использует квантовые технологии и машинное обучение, чтобы измерять магнитные поля точнее, чем любой "неквантовый" аналог.
Подобные измерения нужны для работы будущих квантовых компьютеров и современных сверхчувствительных детекторов в медицине, геологоразведке и даже астрономии.
"Когда изучаешь природу, всегда так или иначе имеешь дело с электромагнитными сигналами, будь то человеческий мозг или вспышка сверхновой, – поясняет соавтор работы Андрей Лебедев из МФТИ. – Поэтому измерять магнитные поля приходится в самых разных областях, и хотелось бы делать это как можно точнее".
Однако сама природа наложила ограничения на точность измерений. Для любых инструментов, не использующих прямо законы квантовой физики, существует так называемый стандартный квантовый предел. Кратко поясним, что это такое.
На любое измерение тратятся ресурсы: время, энергия и так далее. Если затратить больше ресурсов, можно получить более точное значение измеряемой величины. Например, рентгеновский снимок можно сделать более чётким, если повысить энергию и время облучения.
Однако правило стандартного квантового предела говорит, что если увеличить затраты ресурса в n раз, точность измерения повысится не более чем в квадратный корень из n раз. Другими словами, потратив на измерение, скажем, в сто раз больше времени, можно повысить его точность максимум в десять раз. А ресурсы, увы, не безграничны.
В работе, опубликованной в журнале NPJ Quantum Information, авторы представили устройство, позволяющее измерять магнитные поля с точностью, превышающей стандартный квантовый предел.
"Сердцем" этого кубитного магнитометра является "искусственный атом". Это миниатюрная конструкция из перекрывающихся тонких плёнок алюминия, нанесённых на поверхность кремниевого чипа. Когда такое устройство охлаждается до очень низких температур, в нём возникает сверхпроводимость. Электрический ток начинает течь по нему без какого-либо сопротивления и проявлять квантово-механические свойства, роднящие его с движением электронов в атоме.
При облучении такого устройства микроволновым излучением (как в бытовых микроволновках) квантовое состояние искусственного атома начинает меняться. Это изменение зависит от величины окружающего магнитного поля. Выяснив состояние "атома", можно измерить и величину магнитного поля.
Чтобы извлечь из искусственного атома информацию о внешнем магнитном поле, учёные помещали устройство в поле и проверяли, как состояние кубита менялось за промежуток между двумя импульсами микроволнового излучения. Такой эксперимент повторялся многократно, при этом авторы контролировали задержку между двумя импульсами.
Однако для того чтобы преодолеть стандартный квантовый предел, потребовался ещё один трюк: авторы совместили квантовые технологии с одним из распространённых методов машинного обучения. Другими словами, система обучалась получать всё более точные результаты, регулируя длину паузы между двумя импульсами излучения.
"Наша работа является прекрасным примером того, как квантовые технологии могут быть использованы на практике: объединяя квантовые явления с техникой измерения, основанной на методах машинного обучения, мы можем улучшить чувствительность магнитометров и преодолеть ограничения, налагаемые стандартным квантовым пределом", – резюмирует Лебедев.
Напомним, что ранее "Вести.Наука" (nauka.vesti.ru) рассказывали, как обойти стандартный квантовый предел в детекторах гравитационных волн.
