Разработан протокол для квантовых сенсоров: исследователи достигли нового уровня чувствительности

Квантовые датчики теперь могут быть настроены на конкретные сигналы: исследователи представили протокол, основанный на классических принципах проектирования фильтров обработки сигналов

Исследователи из Университета штата Северная Каролина и Массачусетского технологического института разработали протокол для использования мощности квантовых сенсоров, который позволит разработчикам создавать более чувствительные сенсоры, чем традиционные. Этот протокол даёт возможность тонкой настройки квантовых систем для обнаружения интересующих сигналов.

«Квантовое зондирование обещает более мощные возможности зондирования, приближающиеся к фундаментальному пределу, установленному законом квантовой механики. Однако проблема заключается в возможности направлять эти датчики на поиск нужных нам сигналов», — говорит Юань Лю, доцент кафедры электротехники и вычислительной техники и компьютерных наук в Университете штата Северная Каролина и соавтор исследования.

«Наша идея была вдохновлена классическими принципами проектирования фильтров обработки сигналов, которые обычно используются инженерами-электриками. Мы обобщили эти конструкции фильтров для квантовых сенсорных систем, что позволяет нам "тонко настраивать" то, что по сути является бесконечномерной квантовой системой, соединяя её с простой двухуровневой квантовой системой», — продолжил Лю.

Исследователи разработали алгоритмическую структуру, которая связывает кубит (квантовый аналог бита классических вычислений) с бозонным осциллятором (квантовым аналогом классических осцилляторов). Кубиты могут находиться только в суперпозиции двух базисных состояний: ? |0⟩, ? |1⟩, в то время как бозонные осцилляторы являются бесконечномерными системами.

«Манипулирование квантовым состоянием бесконечномерного датчика — сложная задача, поэтому мы начинаем с упрощения вопроса. Вместо того, чтобы пытаться вычислить количество наших целей, мы просто задаём вопрос о решении: обладает ли цель свойством X. Затем мы можем разработать манипуляцию осциллятора, чтобы отразить этот вопрос», — объясняет Лю.

Связывая бесконечномерный сенсор с двумерным кубитом и манипулируя этой связью, датчик можно настроить на интересующий сигнал. Интерферометрия используется для кодирования результатов в состояние кубита, которое затем измеряется для считывания.

«Эта связь даёт нам контроль над бозонным осциллятором, поэтому мы можем использовать полиномиальную функцию для придания волновой функции осциллятора определённой формы, тем самым настраивая датчик на интересующую цель. Как только сигнал появляется, мы отменяем формирование, что создает помехи в бесконечномерной системе, которые возвращаются в виде читаемого результата — полиномиальной функции, определяемой исходным полиномиальным преобразованием осциллятора и базового сигнала — в двухуровневой системе кубита. Другими словами, мы получаем ответ "да" или "нет" на вопрос, есть ли там то, что мы ищем. И самое лучшее то, что нам нужно измерить кубит только один раз, чтобы получить ответ — это "однократное" измерение», — говорит Лю.

Исследователи считают, что их работа создаёт общую основу для разработки протоколов квантового зондирования для различных квантовых сенсоров.

«Наша работа полезна, поскольку она использует легкодоступные квантовые ресурсы в ведущем квантовом оборудовании довольно простым способом. Этот подход служит сигналом тревоги или индикатором того, что сигнал есть, не требуя дорогостоящих повторных измерений. Это мощный способ эффективно извлекать полезную информацию из бесконечномерной системы», — говорит Лю.