Новосибирские ученые нашли способ повысить эффективность квантовых измерений
Новосибирские ученые нашли способ повысить эффективность квантовых измерений Коллектив исследователей из Института автоматик и электрометрии СО РАН, Новосибирского государственного университета, Университета Латакии (Сирия) и IPM (Иран) разработал метод, который позволяет получать максимум информации из квантовых измерений и при этом в десятки тысяч раз сократить число повторных измерений без потери точности. Квантовые измерения применяются для точного определения физических параметров и обнаружения их малейших изменений. Это лежит в основе работы квантовых магнитометров, измеряющих слабые магнитные поля, и квантовых навигационных систем, фиксирующих ускорение и повороты. Эффективность таких устройств зависит от объема полезной информации, извлекаемой за одно измерение. Однако квантовые частицы хрупки: каждое взаимодействие с измерительным прибором разрушает их исходное состояние, требуя создания новых частиц для каждого замера. Для уменьшения нагрузки на приборы используется постселекция — фильтр, отбирающий наиболее информативные частицы и отбрасывающий остальные. Этот процесс также называют квантовой компрессией. Однако ранее этот метод имел существенный недостаток: отсеивание ненужных данных неизбежно приводило к потере полезной информации, что снижало общую точность измерений. Международный коллектив исследователей нашел способ свести к нулю потери полезной информации. Ученые доказали, что фильтр отбора можно настроить так, чтобы дополнительный фазовый сдвиг в точности совпал с геометрической фазой Панчаратнама, которую частица естественным образом приобретает при взаимодействии с прибором. При таком совпадении полезная информация не исчезает, а число необходимых измерений сокращается в десятки тысяч раз. «Главная ценность нашего метода — борьба с обстоятельствами, которые мешают проведению замеров: с неидеальностями приготовления квантовых состояний, с аппаратными шумами. Чем больше измерений проводишь, тем больше эти факторы влияют на результат. С новым методом измерений будет в десятки тысяч раз меньше, а значит и мешающие факторы будут меньше влиять на результат. В рассмотренном нами примере в статье число необходимых измерений удалось сократить примерно в 40 тысяч раз. Кроме того, сокращая число измерений, мы экономим и достаточно много времени», — пояснил соавтор исследования, старший научный сотрудник ИАиЭ СО РАН кандидат физико-математических наук Владимир Томилин. Как рассказали в пресс-службе ИАиЭ СО РАН, расчеты ученых также показали, что эффект можно усилить, используя кудиты — многомерные квантовые системы, которые являются обобщением привычных кубитов. Если кубит способен находиться в двух базовых состояниях, то кудит использует большее число состояний. Увеличение размерности системы дает дополнительный выигрыш в объеме информации, получаемой за один удачный опыт. В дальнейшем исследователи планируют выяснить, для каких именно типов квантовых систем применим предложенный метод.