Создан оптический сенсор на основе квантового алгоритма — Naked Science
7 минут
ФизТех

Создан оптический сенсор на основе квантового алгоритма

4.9

Ученые из лаборатории физики квантовых информационных технологий МФТИ совместно с сотрудником Аргоннской национальной лаборатории (США) реализовали современный квантовый алгоритм для измерения физических величин с помощью простейших оптических приборов. Результаты исследования приближают появление доступных высокоточных сенсоров на базе линейной оптики, которые могут найти применение в самых разных научных направлениях: от астрономии до биологии.

Установка для измерения позиции объекта, которая использует только оптическую когерентность / ©Пресс-служба МФТИ

Работа опубликована в журнале Scientific Reports. Чувствительность измерительных приборов является важнейшей характеристикой во всех областях науки и техники: астрономам необходимо точно детектировать далекие космические явления, биологам — различать мельчайшие органические структуры, а инженерам — измерять положения или скорости различных объектов.

До совсем недавнего времени ни одно из существовавших измерительных устройств не могло обеспечить точности выше так называемого предела дробового шума — ограничения, обусловленного статистическими особенностями классических измерений.

Однако с возникновением квантовых технологий появилась возможность обойти эту преграду и достичь наивысшего гейзенберговского предела точности, который, в свою очередь, объясняется основными принципами квантовой механики. Пример LIGO (обсерватории, на установках которой несколько лет назад были детектированы гравитационные волны) показывает, что гейзенберговская чувствительность может быть достигнута с помощью сочетания сложных оптических интерференционных схем с квантовыми технологиями.

Экспериментальная схема для реализации алгоритма оценки фазы над кутритом / ©Scientific Reports

Новейшая область физики — квантовая метрология — изучает технические и алгоритмические средства для осуществления высокоточных квантовых измерений. Физики из МФТИ и Аргоннской национальной лаборатории решили совместить методы квантовой метрологии с линейной оптикой.

«Мы придумали и построили оптическую схему, выполняющую процедуру оценки фазы на основе преобразования Фурье, — рассказывает один из авторов статьи, Никита Кирсанов из МФТИ. — Эта процедура является главным компонентом многих известных квантовых алгоритмов; в том числе она используется в высокоточных измерительных протоколах».

Экспериментальные результаты интенсивности трех лучей кутрита (черные точки) и теоретическая модель (цветные линии) для разных углов поворота пластин. Видно, что теоретическая модель хорошо описывает полученные результаты / ©Scientific Reports

Экспериментальная установка, состоящая из очень большого числа линейных оптических элементов (светоделителей, фазовых пластин и зеркал), позволяет получать информацию о геометрических углах, положениях, скоростях и других параметрах физических объектов. Для измерения той или иной величины необходимо «закодировать» ее в оптические фазы, непосредственно измеряемые в эксперименте.

«Эта работа является продолжением нашей исследовательской деятельности в области универсальных квантовых измерительных алгоритмов, — говорит руководитель проекта Гордей Лесовик, заведующий лабораторией физики квантовых информационных технологий МФТИ. — Ранее совместно с финской группой из Университета Аалто мы экспериментально реализовали аналогичный измерительный алгоритм, но на базе трансмонных кубитов».

Эксперимент показал, что, несмотря на большое количество оптических элементов, интерференционная схема поддается настройке и контролю. Кроме того, согласно теоретическим оценкам, приведенным в статье, средствами линейной оптики можно реализовывать операции даже значительно большей сложности. Таким образом, ученые показали, что линейная оптика является доступной и эффективной платформой для реализации квантовых измерительных и вычислительных операций умеренного масштаба.

Нашли опечатку? Выделите фрагмент и нажмите Ctrl + Enter.
Московский физико-технический институт (национальный исследовательский университет), известен также как Физтех — ведущий российский вуз по подготовке специалистов в области теоретической, экспериментальной и прикладной физики, математики, информатики, химии, биологии и смежных дисциплин. Расположен в городе Долгопрудном Московской области, отдельные корпуса и факультеты находятся в Жуковском и в Москве.
Позавчера, 21:59
13 минут
Мария Азарова

Когда знаменитый епископ Лунда Педер Винструп умер, его похоронили в семейном склепе в Лундском соборе вместе с женой. После реставрации собора в XIX веке гробы перенесли в общее хранилище, а в 2012 году ученые решили исследовать мумифицированные останки. Неожиданно в ногах Винструпа обнаружили небольшой кулек — завернутое в ткань тело недоношенного ребенка. Это открытие вызвало резонный вопрос: как эмбрион попал в гроб к епископу и имели ли они родственную связь?

Вчера, 19:42
51 минута
Александр Березин

9 апреля 1940 года Германия внезапно напала на Данию и Норвегию — выполнив тем самым планы британского командования, пытавшегося спровоцировать Берлин на такое нападение. Но дальше все пошло не по плану: Германия победила, союзники проиграли. Тем не менее в этой битве выиграли не только немцы. Парадоксальным образом она помешала и англо-французским планам нападения на СССР в 1940 году, что радикально изменило ход и исход всей мировой войны. Попробуем разобраться в деталях.

Вчера, 10:58
3 минуты
Сергей Васильев

Если хозяин уделяет внимание потенциальному «конкуренту», собаки могут демонстрировать настоящее ревнивое поведение.

Позавчера, 21:59
13 минут
Мария Азарова

Когда знаменитый епископ Лунда Педер Винструп умер, его похоронили в семейном склепе в Лундском соборе вместе с женой. После реставрации собора в XIX веке гробы перенесли в общее хранилище, а в 2012 году ученые решили исследовать мумифицированные останки. Неожиданно в ногах Винструпа обнаружили небольшой кулек — завернутое в ткань тело недоношенного ребенка. Это открытие вызвало резонный вопрос: как эмбрион попал в гроб к епископу и имели ли они родственную связь?

4 апреля
23 минуты
Александр Березин

Немецкие ученые проанализировали склонность жителей восьми стран носить маски и соблюдать антиковидные меры. Самыми «несклонными» оказались граждане США, Швеции, Польши и России, а самыми склонными — немцы, англичане, французы и испанцы. Исследователи пришли к выводу: чем ниже склонность, тем выше смертность. В нашей стране реальная смертность от Covid-19 в несколько раз выше, чем официальная от оперштаба, то есть на деле эффект от пренебрежения масками и дистанцированием, вероятно, весомее. Разбираемся в деталях и в том, как это связано с провалом вакцинации от коронавируса в России.

3 апреля
7 минут
Мария Азарова

Развитие лишних половых членов встречается у одного из пяти-шести миллионов новорожденных. На долю медиков из Курдистана выпал вовсе уникальный случай — трехмесячный мальчик появился на свет с трифаллией.

11 марта
7 минут
Василий Парфенов

Абсолютно фантастический варп-двигатель, с теоретической точки зрения, интересен тем, что принцип его работы сам по себе не нарушает никаких законов физики. Вот только для работы такого устройства потребуются несуществующие материалы с невозможными свойствами — например, отрицательной плотностью энергии. Однако немецкий физик внимательно изучил более ранние научные работы по теме и нашел хитрую лазейку, которая позволяет хотя бы теоретически описать подобный способ передвижения без использования экзотических и аномальных материй.

17 марта
12 минут
Василий Парфенов

Продолжавшееся более пяти лет уголовное дело подошло к завершению: серийного сетевого сексуального маньяка осудили на 75 лет тюремного заключения. Чтобы поймать человека, растлившего 375 несовершеннолетних девушек, потребовалось пойти на беспрецедентные и этически спорные меры: создать вредоносное ПО и подсунуть злоумышленнику видеоловушку со встроенным вирусом.

25 марта
36 минут
Александр Березин

Улыбающийся мультимиллиардер планирует понять, насколько эффективно мел в стратосфере защищает планету от солнечного света, и если результат хорош, распылить его там в гигантских количествах. Потенциально это результативная задумка: ученые давно показали, что так можно добиться полного покрытия Земли устойчивыми льдами — вплоть до экватора. Увы, идея Гейтса — плагиат, причем не лучший. Советский исследователь предложил похожее полвека назад с более эффективной серой. Интереснее другое: подобные мероприятия один раз едва не уничтожили человечество. Разбираемся в деталях, а также в том, грозит ли нам повторение.

[miniorange_social_login]

Комментарии

Написать комментарий

Подтвердить?
Лучшие материалы
Войти
Регистрируясь, вы соглашаетесь с правилами использования сайта и даете согласие на обработку персональных данных.

Сообщить об опечатке

Текст, который будет отправлен нашим редакторам: