"Квантовое зондирование открывает перспективы для более мощных сенсорных возможностей, которые могут приблизиться к фундаментальному пределу, установленному законом квантовой механики, но проблема заключается в том, чтобы направить эти датчики на поиск нужных нам сигналов", - говорит Юань Лю, доцент кафедры электротехники, вычислительной техники и компьютерных наук в университете Северной Каролины. и автор-корреспондент исследования. Лю ранее был постдокторским исследователем в Массачусетском технологическом институте.

"Наша идея была вдохновлена классическими принципами проектирования фильтров для обработки сигналов, которые обычно используются инженерами-электриками", - говорит Лю. "Мы обобщили эти конструкции фильтров на квантовые сенсорные системы, что позволяет нам "точно настраивать" то, что по сути является бесконечномерной квантовой системой, соединяя ее с простой двухуровневой квантовой системой".

В частности, исследователи разработали алгоритмическую структуру, которая связывает кубит с бозонным генератором. Кубиты, или квантовые биты, являются аналогом битов классических вычислений в квантовых вычислениях - они хранят квантовую информацию и могут находиться только в суперпозиции двух базовых состояний: ├ |0⟩, ├ |1⟩. Бозонные осцилляторы являются квантовым аналогом классических осцилляторов (представьте себе движение маятника), и они обладают свойствами, сходными с классическими осцилляторами, но их состояния не ограничиваются линейной комбинацией только двух базовых состояний - это бесконечномерные системы.

"Манипулировать квантовым состоянием бесконечномерного датчика сложно, поэтому мы начинаем с упрощения вопроса", - говорит Лю. "Вместо того, чтобы пытаться вычислить количество наших объектов, мы просто задаем решающий вопрос: обладает ли объект свойством X. Затем мы сможем спроектировать управление генератором таким образом, чтобы оно отражало этот вопрос".

Подключив бесконечномерный датчик к двумерному кубиту и манипулируя этим подключением, можно настроить датчик на нужный сигнал. Интерферометрия используется для кодирования результатов в состояние кубита, которое затем измеряется для считывания.

"Эта связь дает нам представление о бозонном генераторе, поэтому мы могли бы использовать полиномиальную функцию - математическое описание формы волны - для настройки волновой функции генератора таким образом, чтобы она принимала определенную форму, таким образом настраивая датчик на интересующую цель", - говорит Лю.

"Как только сигнал поступает, мы отменяем формирование, что создает помехи в бесконечномерной системе, которая возвращается в виде читаемого результата - полиномиальной функции, определяемой исходным полиномиальным преобразованием генератора и базового сигнала - в двухуровневой системе кубита. Другими словами, в конечном итоге мы получаем ответ "да" или "нет" на вопрос о том, есть ли там то, что мы ищем. И самое приятное то, что нам нужно измерить кубит только один раз, чтобы получить ответ - это "однократное" измерение".

Исследователи рассматривают эту работу как создание общей основы для разработки протоколов квантового зондирования для различных квантовых датчиков.

"Наша работа полезна тем, что она использует легкодоступные квантовые ресурсы в ведущем квантовом оборудовании (включая захваченные ионы, сверхпроводящую платформу и нейтральные атомы) довольно простым способом", - говорит Лю. "Такой подход служит сигналом тревоги или индикатором наличия сигнала, не требуя дорогостоящих повторных измерений. Это мощный способ эффективного извлечения полезной информации из бесконечномерной системы".

Работа опубликована в журнале Quantum и была поддержана Исследовательским управлением армии в рамках проекта под номером W911NF-17-1-0481 и Министерством энергетики США в рамках контракта под номером DE-SC0012704. Жасмин Синанан-Сингх и Габриэль Минцер, оба аспиранты Массачусетского технологического института, являются соавторами исследования. Исаак Л. Чуанг, профессор физики, электротехники и компьютерных наук Массачусетского технологического института, также внес свой вклад в работу.