Istraživači sa Državnog univerziteta Severne Karoline i Tehnološkog instituta Masačusetsa dizajnirali su protokol za iskorištavanje moći kvantnih senzora. Protokol bi mogao dati dizajnerima senzora mogućnost da fino podese kvantne sisteme da osete signale od interesa, stvarajući senzore koji su znatno osetljiviji od tradicionalnih senzora.
Rad koji opisuje rad objavljen je u časopisu Quantum.
„Kvantno sensiranje obećava moćniju sposobnost senzora koja može da se približi osnovnoj granici postavljenoj zakonom kvantne mehanike, ali izazov leži u tome da budemo u stanju da usmerimo ove senzore da pronađu signale koje želimo“, kaže Juan Liu, docent elektrotehnike i računarstva i računarstva u NC State i odgovarajući autor istraživanja. Liu je ranije bio postdoktorski istraživač na MIT-u.
„Naša ideja je inspirisana klasičnim principima dizajna filtera za obradu signala koje rutinski koriste elektroinženjeri“, kaže Liu. „Ove dizajne filtera smo generalizovali na kvantne sisteme senzora, što nam omogućava da ‘fino podesimo’ ono što je u suštini beskonačno dimenzionalni kvantni sistem spajajući ga na jednostavan dvostepeni kvantni sistem.“
Konkretno, istraživači su dizajnirali algoritamski okvir koji spaja kubit sa bozonskim oscilatorom. Kubiti, ili kvantni bitovi, su pandan kvantnom računarstvu bitovima klasičnog računarstva—oni čuvaju kvantne informacije i mogu biti samo u superpoziciji dva osnovna stanja: ├ |0⟩, ├ |1⟩. Bosonski oscilatori su kvantni analog klasičnih oscilatora (mislite na kretanje klatna) i dele karakteristike slične klasičnim oscilatorima, ali njihova stanja nisu ograničena na linearnu kombinaciju samo dva osnovna stanja – oni su beskonačno-dimenzionalni sistemi.
„Manipulisanje kvantnim stanjem beskonačno-dimenzionalnog senzora je komplikovano, pa počinjemo tako što ćemo pojednostaviti pitanje“, kaže Liu. „Umesto da pokušavamo da utvrdimo iznose naših ciljeva, mi samo postavljamo pitanje odluke: da li cilj ima svojstvo Ks. Tada možemo da dizajniramo manipulaciju oscilatorom da odražava to pitanje.“
Povezivanjem beskonačno dimenzionalnog senzora sa dvodimenzionalnim kubitom i manipulisanjem tom spregom, senzor bi mogao biti podešen na signal od interesa. Interferometrija se koristi za kodiranje rezultata u stanje kubita koje se zatim meri za očitavanje.
„Ovo spajanje nam daje kontrolu nad bosonskim oscilatorom, tako da bismo mogli da koristimo polinomsku funkciju — matematiku koja opisuje talasne oblike — da konstruišemo talasnu funkciju oscilatora da poprimi određeni oblik, na taj način podešavajući senzor na metu od interesa“, Liu kaže.
„Kada se signal desi, poništavamo oblikovanje, što stvara smetnje u beskonačno dimenzionalnom sistemu koji se vraća kao čitljiv rezultat—polinomska funkcija određena originalnom polinomskom transformacijom oscilatora i osnovnog signala—u dvostepenom kubitu Drugim rečima, dobijamo odgovor „da“ ili „ne“ na pitanje da li je ono što tražimo tu odgovor – to je merenje ‘jednog udarca’.“
Istraživači vide rad kao pružanje opšteg okvira za dizajniranje protokola kvantnog senzora za različite kvantne senzore.
„Naš rad je koristan jer koristi lako dostupne kvantne resurse u vodećem kvantnom hardveru (uključujući zarobljene jone, superprovodnu platformu i neutralne atome) na prilično jednostavan način“, kaže Liu. „Ovaj pristup služi kao alarm ili indikator da je signal prisutan, bez potrebe za skupim ponovljenim merenjima. To je moćan način da se korisne informacije efikasno izvuku iz beskonačno dimenzionalnog sistema.“
Jasmin Sinanan-Sing i Gabriel Mintzer, oboje postdiplomci na MIT-u, su prvi autori istraživanja. Isak L. Chuang, profesor fizike i elektrotehnike i računarstva na MIT-u, takođe je doprineo radu.
