Квантовые сенсоры перестали ломаться от каждого шороха — настало время настоящих вычислений
NewsMakerДетские игры закончились. Настало время взрослой физики.
Учёные из Национального университета Сингапура сделали заметный шаг вперёд в области квантовой метрологии — направлении, которое использует свойства квантовых систем для достижения недостижимой ранее точности измерений. Разработанный ими метод может существенно повлиять на развитие технологий навигации, а также повысить чувствительность сенсоров, способных улавливать сверхслабые сигналы.
Квантовая метрология строится на уникальных эффектах, присущих микромиру, и позволяет выходить за пределы классических ограничений точности. Для этого часто прибегают к использованию сильно запутанных состояний частиц, таких как состояния Гринбергера–Хорна–Цайлингера (GHZ). Однако эти состояния крайне сложны в реализации — они очень чувствительны к любому внешнему воздействию и требуют идеальных условий для хранения и измерения.
Группа исследователей под руководством профессора Гун Цзяньбина из физического факультета Национального университета Сингапура предложила новый подход, который позволяет обойти эти трудности. В своей работе они использовали модель, известную как квантовый пинаемый топ — хорошо изученную систему, описывающую динамику вращения квантовых объектов под действием периодических возмущений.
В отличие от стандартных схем, которые требуют начать работу с хрупких запутанных состояний, сингапурские физики предложили начинать с гораздо более стабильного и простого для создания когерентного спинового состояния SU(2). Этот тип состояния легко получить в лабораторных условиях, что делает метод удобным для практических применений.
Ключевая особенность предложенного протокола заключается в том, что под воздействием специально подобранных периодических взаимодействий начальное простое состояние со временем естественным образом переходит в сильно запутанные состояния, которые несут необходимую информацию. При определённых резонансных условиях система возвращается к исходному когерентному состоянию благодаря квантовому эффекту рецидива.
Такая "обратимая" эволюция означает, что подготовка и измерение состояния проводятся в стабильной и удобной для эксперимента форме, а чувствительность при этом остаётся на уровне, характерном для более сложных схем с запутанными состояниями.
Результаты исследования опубликованы в научном журнале Physical Review Letters 11 июня 2025 года. Согласно данным группы, предложенный метод позволяет достичь измерительной точности на пределе, установленном соотношением Гейзенберга.
Эффективность протокола оценивается с помощью квантовой информации Фишера (QFI) — фундаментальной величины, определяющей максимальную достижимую точность измерений. В случае сингапурской методики эта информация увеличивается пропорционально квадрату числа частиц (спинов) и времени измерения, что соответствует предельной чувствительности квантовых систем.
Существенное отличие от предыдущих подходов состоит в том, что высокая точность сохраняется на протяжении длительного времени, причём даже при наличии шумов, неизбежных в реальных квантовых устройствах. В частности, протокол демонстрирует устойчивость к марковскому шуму — одному из наиболее распространённых типов декогеренции, при котором влияние окружающей среды разрушает квантовые состояния.
Даже в условиях такого шума методика сохраняет почти идеальную зависимость чувствительности от числа частиц, что существенно приближает квантовую метрологию к практическому применению. Именно проблемы с сохранением состояний и точностью измерений до сих пор оставались серьёзным препятствием для внедрения подобных технологий за пределами лабораторий.
Дополнительное преимущество разработанного протокола — его совместимость с уже существующим оборудованием. Реализация методики не требует сложных инженерных решений или редких материалов. По словам авторов, для запуска достаточно стандартных платформ на основе ионов в ловушках или холодных атомов — достаточно лишь правильно откалибровать параметры системы.
Отказ от трудоёмкого этапа подготовки сложных запутанных состояний и высокая устойчивость к внешним воздействиям делают новый подход не просто теоретической концепцией, а практически доступным инструментом для создания масштабируемых квантовых сенсоров .
По сути, исследование открывает новую главу в квантовой метрологии, предлагая удобный и надёжный путь к точности измерений, ранее считавшейся труднодостижимой. За счёт использования динамики квантового резонанса и простых начальных состояний учёным удалось преодолеть ключевые барьеры, стоящие на пути реального внедрения передовых квантовых технологий .
В будущем такие сенсоры могут найти применение не только в научных исследованиях, но и в навигации, точном позиционировании, мониторинге гравитационных аномалий и других областях, где крайне важно фиксировать мельчайшие колебания и слабейшие сигналы.
Учёные из Национального университета Сингапура сделали заметный шаг вперёд в области квантовой метрологии — направлении, которое использует свойства квантовых систем для достижения недостижимой ранее точности измерений. Разработанный ими метод может существенно повлиять на развитие технологий навигации, а также повысить чувствительность сенсоров, способных улавливать сверхслабые сигналы.
Квантовая метрология строится на уникальных эффектах, присущих микромиру, и позволяет выходить за пределы классических ограничений точности. Для этого часто прибегают к использованию сильно запутанных состояний частиц, таких как состояния Гринбергера–Хорна–Цайлингера (GHZ). Однако эти состояния крайне сложны в реализации — они очень чувствительны к любому внешнему воздействию и требуют идеальных условий для хранения и измерения.
Группа исследователей под руководством профессора Гун Цзяньбина из физического факультета Национального университета Сингапура предложила новый подход, который позволяет обойти эти трудности. В своей работе они использовали модель, известную как квантовый пинаемый топ — хорошо изученную систему, описывающую динамику вращения квантовых объектов под действием периодических возмущений.
В отличие от стандартных схем, которые требуют начать работу с хрупких запутанных состояний, сингапурские физики предложили начинать с гораздо более стабильного и простого для создания когерентного спинового состояния SU(2). Этот тип состояния легко получить в лабораторных условиях, что делает метод удобным для практических применений.
Ключевая особенность предложенного протокола заключается в том, что под воздействием специально подобранных периодических взаимодействий начальное простое состояние со временем естественным образом переходит в сильно запутанные состояния, которые несут необходимую информацию. При определённых резонансных условиях система возвращается к исходному когерентному состоянию благодаря квантовому эффекту рецидива.
Такая "обратимая" эволюция означает, что подготовка и измерение состояния проводятся в стабильной и удобной для эксперимента форме, а чувствительность при этом остаётся на уровне, характерном для более сложных схем с запутанными состояниями.
Результаты исследования опубликованы в научном журнале Physical Review Letters 11 июня 2025 года. Согласно данным группы, предложенный метод позволяет достичь измерительной точности на пределе, установленном соотношением Гейзенберга.
Эффективность протокола оценивается с помощью квантовой информации Фишера (QFI) — фундаментальной величины, определяющей максимальную достижимую точность измерений. В случае сингапурской методики эта информация увеличивается пропорционально квадрату числа частиц (спинов) и времени измерения, что соответствует предельной чувствительности квантовых систем.
Существенное отличие от предыдущих подходов состоит в том, что высокая точность сохраняется на протяжении длительного времени, причём даже при наличии шумов, неизбежных в реальных квантовых устройствах. В частности, протокол демонстрирует устойчивость к марковскому шуму — одному из наиболее распространённых типов декогеренции, при котором влияние окружающей среды разрушает квантовые состояния.
Даже в условиях такого шума методика сохраняет почти идеальную зависимость чувствительности от числа частиц, что существенно приближает квантовую метрологию к практическому применению. Именно проблемы с сохранением состояний и точностью измерений до сих пор оставались серьёзным препятствием для внедрения подобных технологий за пределами лабораторий.
Дополнительное преимущество разработанного протокола — его совместимость с уже существующим оборудованием. Реализация методики не требует сложных инженерных решений или редких материалов. По словам авторов, для запуска достаточно стандартных платформ на основе ионов в ловушках или холодных атомов — достаточно лишь правильно откалибровать параметры системы.
Отказ от трудоёмкого этапа подготовки сложных запутанных состояний и высокая устойчивость к внешним воздействиям делают новый подход не просто теоретической концепцией, а практически доступным инструментом для создания масштабируемых квантовых сенсоров .
По сути, исследование открывает новую главу в квантовой метрологии, предлагая удобный и надёжный путь к точности измерений, ранее считавшейся труднодостижимой. За счёт использования динамики квантового резонанса и простых начальных состояний учёным удалось преодолеть ключевые барьеры, стоящие на пути реального внедрения передовых квантовых технологий .
В будущем такие сенсоры могут найти применение не только в научных исследованиях, но и в навигации, точном позиционировании, мониторинге гравитационных аномалий и других областях, где крайне важно фиксировать мельчайшие колебания и слабейшие сигналы.