Квантовый шум: проблема или возможность?
Шум в квантовом зондировании — это не просто помеха. Он может стать ключом к созданию более совершенных датчиков. Хотя шум от внешних воздействий всегда будет с нами, команда, в которую входят учёные из Национального института стандартов и технологий (NIST), возможно, нашла новый способ борьбы с ним на микроскопическом уровне, где царит квантовая физика.
Использование квантовых явлений для измерения тонких изменений в окружающей среде
Используя квантовые явления, известные как суперпозиция и запутанность, исследователи могут измерять тонкие изменения в окружающей среде, полезные для всего: от геологии до GPS. Но для этого они должны уметь видеть сквозь шум, вызванный источниками в окружающей среде, такими как блуждающие магнитные поля, чтобы обнаружить, например, важный сигнал от мозга.
Новое решение
Новые результаты, опубликованные сегодня в журнале Physical Review Letters, позволят связанным группам квантовых объектов, таких как атомы, лучше ощущать окружающую среду в присутствии шума. Группа несвязанных квантовых объектов уже может превзойти обычный датчик. Связывая их через процесс квантовой запутанности, можно добиться ещё лучших результатов. Однако связывание группы может сделать её уязвимой к шумовым помехам, вызывающим ошибки, из-за чего группа теряет своё дополнительное преимущество в зондировании.
Команда предлагает теоретическое решение, которое определяет, как заранее спроектировать группу квантовых объектов, называемых кубитами, — также известными как единицы данных в квантовых компьютерах — прежде чем они будут использованы для зондирования. Вместо того чтобы подготавливать группу таким образом, чтобы исправить все ошибки, которые испытывают взаимосвязанные кубиты, команда обнаружила, что если исправить только некоторые из ошибок, датчик станет более устойчивым перед лицом шума.
Квантовые биты и суперпозиция
Кубиты могут существовать в нескольких энергетических состояниях, таких как высокое и низкое, но они также могут существовать в «суперпозиции» этих состояний, действуя так, будто они одновременно находятся во всех этих состояниях. Эта суперпозиция не только является свойством, которое квантовый компьютер будет использовать для решения задач, с которыми обычные компьютеры не справляются, но она также делает кубит высокочувствительным к незначительным изменениям в его окружении, таким как присутствие слабого магнитного поля, которое ощутимо повлияет на энергетическое состояние кубита.
Квантовое зондирование и запутанность
Кубиты могут стать ещё более чувствительными при использовании дополнительного квантового свойства, называемого запутанностью, — явлением, при котором несколько объектов имеют взаимосвязанные квантовые состояния. Когда группа кубитов запутана, каждый кубит ощущает сигнал не только напрямую, но и через свою связь с другими кубитами, тем самым усиливая сигнал — делая группу даже лучше, чем не запутанные кубиты, в обнаружении незначительных изменений.
Увеличение количества запутанных кубитов значительно улучшает возможности группы. Например, по сравнению с одним кубитом в суперпозиции, 100 не запутанных кубитов будут в 10 раз более чувствительными, но 100 запутанных кубитов будут в 100 раз более чувствительными.
Проблема шума
Проблема в том, что для связывания кубитов обычно требуется полная изоляция от изменений в окружающей среде, таких как механические вибрации или перепады температуры. Такие возмущения создают то, что разработчики квантовых технологий называют шумом — вечной проблемой для квантовых компьютеров и квантового зондирования.
Подход команды
Подход команды проектирует группу запутанных кубитов так, чтобы они могли терпеть некоторые шумовые ошибки. Опираясь на наблюдения, сделанные в экспериментах других групп, команда применяет методы коррекции повреждённых данных в квантовых компьютерах — известные как коды коррекции квантовых ошибок — чтобы сделать группу устойчивой перед лицом шума.
Спинтронника: исследование спиновых токов
Спиновые токи: от теории к практике
Спинтроника — это развивающаяся область, которая использует спин, или собственный угловой момент, электронов. Используя это квантово-релятивистское свойство, исследователи стремятся разработать устройства, которые хранят и передают информацию быстрее, эффективнее и с более высокой плотностью данных, потенциально делая устройства намного меньше, чем это возможно сегодня.
Ключевым шагом на пути к этому будущему является контроль «спиновых токов» — потока углового момента через материал без сопутствующего электрического тока заряда. Однако спиновые токи оказались чрезвычайно трудноизмеримыми напрямую — до сих пор.
В новом исследовании группа учёных под руководством учёных из Национального источника синхротронного света II (NSLS-II) — объекта Министерства энергетики США (DOE) в Брукхейвенской национальной лаборатории — использовала метод, называемый резонансным неупругим рассеянием рентгеновских лучей (RIXS), для обнаружения тока, образованного потоком магнонов, квантованных спиновых волновых возбуждений в магнитной структуре материала.
Применение градиента температуры для создания спинового тока
Применяя температурный градиент через магнитный изолятор, где тепло перемещается от горячего к холодному, был индуцирован спиновый ток с помощью магнонной транспортировки, и эти спиновые возбуждения наблюдались, когда они распространялись в неравновесных условиях. Используя этот новый метод, команда может глубже изучить ключевые транспортные свойства, например, как долго магноны существуют, прежде чем они рассеиваются.
Результаты исследования
Результаты были опубликованы сегодня в журнале Nature. Спиновые токи изучались десятилетиями, однако в основном с помощью макроскопических методов, которые предлагают лишь косвенные сведения. Чтобы обнаружить магнонный спиновый ток, учёные обычно преобразуют его в электрический сигнал, процесс, который включает в себя несколько интерфейсов и этапов преобразования, скрывая прямую информацию о спине.
«Эти шаги можно смоделировать, но не идеально», — объяснила Валентина Бисогни, ведущий учёный на линии пучков мягкого неупругого рассеяния рентгеновских лучей (SIX) и ведущий автор этого исследования. «Существует множество неизвестных и предположений, которые невозможно полностью проверить в этом процессе. Хотя эти методы закладывают прочную основу для доказательства существования спиновых токов, попытка вывести точные микроскопические модели из таких косвенных проб была сложной задачей».
«Наша цель состояла в том, чтобы выявить магноны, участвующие в спиновых токах», — сказал Янхун Гу, бывший научный сотрудник в группе Бисогни. «Это не движущиеся спины, а движущиеся угловые моменты, образующие спиновую волну, в то время как электронные заряды остаются неподвижными».
Исследование магнонных спиновых токов
Конвенциональные методы, такие как рентгеновская магнитная циркулярная дихроизм, предлагали некоторую спиновую чувствительность, но не к распределению импульса возбуждений внутри спинового тока. «Магноны несут как энергию, так и импульс. Определение того, какие моды магнонов вносят вклад в ток, имеет важное значение для построения детального, микроскопического понимания», — сказал Гу.
«Это немного похоже на наблюдение за океаном здесь, на Лонг-Айленде», — сказал Джонни Пелличиари, учёный на линии пучков SIX и соавтор этого исследования. «Вы можете видеть волны, но это не значит, что вы понимаете, из чего состоит вода. Она состоит из бесчисленных крошечных частиц, работающих вместе».
«Аналогично, в магнонной спиновой транспортировке вы можете обнаружить общий ток или процесс преобразования, но это не обязательно означает, что вы понимаете основные механизмы: энергию и импульс фундаментальных магнитных возбуждений, таких как магноны, которые их порождают», — сказал Пелличиари.
Одним из критических параметров в этом исследовании является время релаксации магнона. Если возбуждение затухает слишком быстро, эффективный транспорт невозможен из-за диссипации. Многие из этих параметров в настоящее время оцениваются, а не измеряются, что побудило Бисогни и её команду разработать более точный метод исследования и характеристики спиновых токов с помощью RIXS.
Разработка экспериментальной установки
Команда разработала экспериментальную установку для объединения измерений RIXS с транспортными измерениями. Они создали устройство, которое производит магнонный спиновый ток с помощью спин-Зеебековского эффекта, явления, которое генерирует спиновую проводимость через температурный градиент в среде образца экспериментальной конечной станции SIX.
Выбранным образцом для этого эксперимента стал иттрий-железный гранат (YIG), электрически изолирующий ферримагнетик и один из наиболее перспективных материалов для спинтронных приложений. Интеграция устройства магнонного спинового тока в камеру конечной станции представила ещё одну задачу, но настойчивость и новаторство привели команду к созданию именно того, что им было нужно.
Когда учёные применили температурную разницу к своему образцу, магноны начали двигаться, создавая спиновый ток. RIXS оказалась достаточно чувствительной, чтобы обнаружить даже очень небольшие дисбалансы в интенсивности магнонов, отражая основные изменения в распределениях магнонов. Команда смогла наблюдать, какие конкретные возбуждения несли спиновый ток и с каким импульсом, предлагая истинную микроскопическую картину.
Используя математическую модель, называемую уравнением Больцмана, команда также смогла рассчитать, как долго магноны существовали и как они двигались, важные детали для разработки спинтронных устройств на основе магнонов в будущем.
Это сотрудничество не просто собрало воедино новое экспериментальное устройство; оно объединило опыт нескольких ключевых игроков в очень узкой области. Для теоретической поддержки команда сотрудничала с Герритом Бауэром, профессором и главным исследователем в передовом институте материаловедения в Токийском университете, и Джозефом Баркером из Университета Лидса.
«Многие сомневались, что RIXS когда-либо окажется полезным спектроскопическим методом, но развитие мощных источников рентгеновского излучения и детекторов высокого разрешения доказало, что филистеры ошибались», — сказал воодушевлённый Бауэр. «Настоящие результаты дают лишь проблеск, пусть и впечатляющий, потенциала метода для визуализации неравновесных бозонных функций распределения в обратном пространстве. Вы ещё ничего не видели!»
«Было удивительно увидеть то, что мы так долго полагали как теоретическую концепцию, измеренной напрямую», — добавил Баркер.
Это исследование не только объединило исследователей со всей страны и мира, но также выиграло от сотрудничества с Центром функциональных наноматериалов, объектом Министерства энергетики США в Брукхейвенской лаборатории. Технический сотрудник Ким Кисслингер и учёный Фернандо Камино сыграли важную роль в подготовке и поддержке устройства и образца, использованных для этой работы, наряду с Такаши Киккавой из Японского агентства атомной энергии, Эйдзи Сайто из Университета Токио и Дмитрием Басовым из Колумбийского университета.
noise caused by environmental sources such as stray magnetic fields to detect, for example, an important signal from the brain.”,”New findings, detailed today in Physical Review Letters, would enable interlinked groups of quantum objects such as atoms to better sense the environment in the presence of noise. A horde of unlinked quantum objects can already outperform a conventional sensor. Linking them through the process of quantum entanglement can make them perform better still. However, entangling the group can make it vulnerable to environmental noise that causes errors, making the group lose its additional sensing advantage.”,”The team’s theoretical solution specifies how to design in advance a group of quantum objects called qubits—also known as the units of data in quantum computers—before they are used for the task of sensing. Rather than preparing the group in a way that will correct all the errors the interlinked qubits experience, the team has found that if it corrects only some of the errors, the sensor becomes more robust in the face of noise. The group of entangled qubits loses a bit of sensitivity in the process, but the trade is worthwhile, because the sensor still outperforms unentangled qubits.”,”\”Usually in quantum error correction, you want to correct the error perfectly,\” said Cheng-Ju (Jacob) Lin, one of the paper’s authors and a former Institute for Robust Quantum Simulation (RQS) postdoctoral fellow at the Joint Center for Quantum Information and Computer Science (QuICS), a joint institute of NIST and the University of Maryland. \”But because we are using it for sensing, we only need to correct it approximately rather than exactly. As long as you prepare your entangled sensor the way we discovered, it will protect your sensor.\””,”Qubits can exist in multiple energy states, such as high and low, but they also can exist in a \”superposition\” of those states, acting as if they are simultaneously in all these states. This superposition is not only the property a quantum computer would harness to solve problems conventional computers find intractable, but it also makes the qubit highly sensitive to minute changes in its environment, such as the presence of a faint magnetic field, which would measurably affect the qubit’s energy state. Quantum-enhanced measurement techniques like this allow for higher precision than conventional sensing methods, making them useful in applications such as navigation.”,”But qubits can get even more sensitive with the use of an additional quantum property called entanglement, a phenomenon where multiple objects have interlinked quantum states. When a group of qubits is entangled, each qubit senses the signal not only directly but also through its links with other qubits, thereby amplifying the signal—making the group even better than unentangled qubits at sensing slight changes.”,”Increasing the number of entangled qubits dramatically improves the group’s capabilities as well. For example, compared to a single qubit in superposition, 100 unentangled qubits would be 10 times more sensitive, but 100 entangled qubits would be 100 times as sensitive.”,”The trouble is that entangling qubits generally requires complete isolation from environmental changes such as mechanical vibrations or temperature shifts. Such disturbances create what quantum technology designers call noise—a perennial problem for quantum computers and quantum sensing alike.”,”The team’s approach designs the group of entangled qubits so they can tolerate some noise-related errors. Building on observations seen in others’ experiments, the team applies techniques for correcting corrupted data in quantum computers—known as quantum error correction codes—to make the group robust in the face of noise.”,”\”In analyzing these error correction codes, we found that there is a family of codes that protects entangled sensors,\” Lin said. \”One type of error correction code enables entangled qubits to detect magnetic fields with higher precision than unentangled qubits, even if some of the entangled qubits become corrupted with errors.\””,”While other teams’ experiments suggested the result, Lin said that his group’s paper places the findings on a more mathematically rigorous footing.”,”\”It may take time for technologists to create sensors that take advantage of the findings,\” he said. \”However, the community’s understanding of quantum mechanics is good enough that we think the results will hold up under experiment, which we invite others to test in the lab.\””,”\n\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\tProvided by\n\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\tNational Institute of Standards and Technology\n\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\n\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\n\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\n\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t”,”\n\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t This story is republished courtesy of NIST. Read the original story here.\n\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t “,”\n\t\t\t\t\t\t\tMore from Quantum Physics\n\t\t\t\t\t\t “]’>Источник