Исследователи из Национального университета Сингапура (NUS) добились значительного прогресса в квантовой метрологии — области, использующей квантовые эффекты для проведения измерений с беспрецедентной точностью. Их недавно разработанный протокол может потенциально принести пользу новым технологиям, таким как навигация и обнаружение чрезвычайно слабых сигналов.
Квантовая метрология
Квантовая метрология использует уникальные свойства квантовых систем для достижения чувствительности, значительно превосходящей классические пределы. Преодоление так называемого стандартного квантового предела (SQL) и достижение окончательного предела Гейзенберга (HL) обычно требует высоко запутанных квантовых состояний, таких как состояния Гринбергера — Хорна — Цайлингера (GHZ). Однако эти состояния чрезвычайно сложно генерировать, поддерживать и измерять, поскольку они сильно подвержены воздействию шума окружающей среды и ошибкам считывания, что является серьёзным препятствием для практического применения.
Под руководством профессора Гонга Цзянбина из Департамента физики факультета естественных наук NUS исследовательская группа разработала новую стратегию, устраняющую эти препятствия. Их метод использует квантовую резонансную динамику в периодически управляемой спиновой системе — хорошо изученной модели, называемой квантовым «раскачиванием сверху».
Вместо того чтобы начинать с хрупкого, сильно запутанного состояния, их протокол начинается с устойчивого и легко получаемого SU(2) спинового когерентного состояния. Благодаря точно рассчитанным периодическим взаимодействиям это простое начальное состояние естественным образом эволюционирует в сильно запутанные состояния, кодирующие квантовую информацию. При особых условиях резонанса система возвращается в исходное когерентное состояние благодаря квантовой повторяемости, что обеспечивает как простую подготовку, так и надёжное считывание.
Результаты исследования были опубликованы в журнале Physical Review Letters 11 июня 2025 года.
Профессор Гонг сказал: «Эта эволюция по кругу означает, что мы можем начинать и заканчивать со стабильным, экспериментально удобным состоянием, одновременно используя чувствительность, усиленную квантовыми эффектами, обычно связанную с более сложными запутанными состояниями».
Команда показала, что их протокол достигает точности измерений, ограниченной принципом Гейзенберга. Квантовая информация Фишера (QFI), фундаментальная величина, определяющая наилучшую достижимую точность, растёт квадратично как с числом частиц (спинов), так и со временем измерения.
В отличие от более ранних подходов, этот оптимальный масштаб может поддерживаться в течение длительного времени и остаётся устойчивым даже при наличии марковского шума — распространённой формы декогеренции в квантовых системах. Даже при таком шуме протокол поддерживает почти гейзенберговское масштабирование с числом спинов, что является значительным достижением в практической квантовой метрологии.
Одним из основных преимуществ этого подхода является его экспериментальная осуществимость. Протокол может быть реализован с использованием существующего квантового оборудования, включая платформы на основе захваченных ионов или холодных атомов, путём простой настройки рабочих параметров. Специализированное оборудование или сложная подготовка состояния не требуются.
«Эта работа демонстрирует, что сверхточные квантовые измерения достижимы без обычных трудностей. Избегая сложной подготовки состояния и повышая устойчивость к шуму, наш подход открывает новые возможности для практического и масштабируемого квантового зондирования», — добавил профессор Гонг.
Это развитие представляет собой концептуальный прорыв в квантовой метрологии, предоставляя экспериментально доступный и устойчивый к шуму путь к достижению точности измерений, ограниченной принципом Гейзенберга. Используя квантовую резонансную динамику с простыми начальными состояниями, протокол преодолевает давние препятствия, связанные с подготовкой состояния и считыванием, прокладывая путь для практической реализации в квантовых технологиях следующего поколения.
Предоставлено Национальным университетом Сингапура.