Исследователи из Национального университета Сингапура (NUS) добились впечатляющего прогресса в квантовой метрологии — области, которая использует 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 использует уникальные свойства квантовых систем для достижения чувствительности, значительно превышающей классические пределы. Чтобы выйти за пределы так называемого стандартного квантового предела (SQL) и достичь окончательного предела Гейзенберга (HL), обычно требуются сильно запутанные квантовые состояния, такие как состояния Гринбергера–Хорна–Цайлингера (GHZ). Однако эти состояния чрезвычайно сложно генерировать, поддерживать и измерять, поскольку они очень чувствительны к внешнему шуму и ошибкам считывания, что является серьёзным препятствием для практического применения.
Под руководством профессора Гонга Цзянбиня из Департамента физики Научного факультета NUS исследовательская группа разработала новую стратегию, которая устраняет эти препятствия. Их метод использует квантовую динамику резонанса в периодически управляемой спиновой системе — хорошо изученной модели, называемой квантовым «раскачиванием вершины».
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 определённых условиях резонанса система возвращается в исходное когерентное состояние из-за 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 квантовую повышенную чувствительность, 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 количеством частиц (спинов), так и со временем измерения.
В отличие от более ранних подходов, это оптимальное масштабирование 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 количеством 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, основанные на захваченных ионах или холодных атомах, путём простой настройки рабочих параметров. Для этого не требуется специализированного оборудования или сложной подготовки состояния.
«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 точности измерений, ограниченной принципом Гейзенберга. Используя квантовую динамику резонанса с простыми начальными состояниями, протокол преодолевает давние препятствия, связанные с подготовкой и считыванием состояния, открывая путь для практического применения в квантовых технологиях обнаружения следующего поколения.
Предоставлено Национальным университетом Сингапура.