使用量子比特和机器学习的传感器技术的终极精度

你衡量事物的准确程度是有限的。想象一下X射线图像:它可能非常模糊,只有专家医生才能正确解释。不同组织之间的对比度相当差,但可以通过更长的曝光时间,更高的强度或通过拍摄多个图像并重叠它们来改善。但是存在相当大的局限性:人类可以安全地接触到如此多的辐射,并且成像需要时间和资源。

一个完善的经验法则是所谓的标准量子限制:测量的精度与可用资源的平方根成反比。换句话说,您投入的资源越多 - 时间,辐射功率,图像数量等,您的测量结果就越准确。然而,这只会让你到目前为止:极端精确也意味着使用过多的资源。

来自阿尔托大学,苏黎世联邦理工学院,莫斯科MIPT和兰道研究所的一组研究人员推动了这一研究,并提出了一种使用量子系统测量磁场的方法 - 精度超出标准量子极限。

从地质勘探到成像大脑活动,磁场的检测在各个领域都很重要。研究人员认为,他们的工作是将量子增强方法用于传感器技术的第一步。

我们想要设计一种高效但微创的测量技术。想象一下,例如,极其敏感的样品:我们必须使用尽可能低的强度来观察样品或将测量时间降到最低,“阿尔托大学Kvantti研究小组负责人Sorin Paraoanu解释道。

他们发表在npj Quantum Information期刊上的论文展示了如何通过利用超导人工原子(量子比特)的相干性来提高磁场测量的准确性。它是一种由硅片上蒸发的重叠铝条制成的微型器件 - 这种技术类似于用于制造移动电话和计算机处理器的技术。

当器件冷却到非常低的温度时,会发生神奇的现象:电流在没有任何电阻的情况下流入其中,并开始显示类似于真实原子的量子力学性质。当用微波脉冲照射时 - 与家用微波炉中的脉冲不同 - 人造原子的状态发生变化。事实证明,这种变化取决于所施加的外部磁场:测量原子,你将找出磁场。

但是要超越标准量子限制,还必须使用类似于机器学习,模式识别的广泛应用分支的技术来执行另一个技巧。

'我们使用自适应技术:首先,我们执行测量,然后,根据结果,我们让模式识别算法决定如何在下一步中更改控制参数,以实现最快的磁场估计“来自苏黎世联邦理工学院的通讯作者安德烈·列别杰夫解释说,现在他在莫斯科的MIPT。

“这是量子技术在工作中的一个很好的例子:通过将量子现象与基于监督机器学习的测量技术相结合,我们可以将磁场探测器的灵敏度提高到一个明显突破标准量子极限的领域,”Lebedev说。

Aalto研究人员承认量子工程中心QMETRO项目和芬兰科学院量子技术卓越中心。该研究利用了国家OtaNano研究基础设施。