Doktor Le Bin Ho z Uniwersytetu Tohoku zbadał, w jaki sposób ściskanie kwantowe może poprawić precyzję pomiarów w złożonych układach kwantowych, co może mieć potencjalne zastosowania w technologiach wykrywania kwantowego, obrazowania i technologii radarowych. Odkrycia te mogą prowadzić do postępu w takich obszarach, jak dokładność GPS i wczesne wykrywanie chorób za pomocą bardziej czułych biosensorów.
Zaciskanie kwantowe to koncepcja z fizyki kwantowej, w której niepewność w jednym aspekcie układu jest zmniejszana, podczas gdy niepewność w innym powiązanym aspekcie wzrasta. Wyobraź sobie, że ściskasz okrągły balon wypełniony powietrzem. W normalnym stanie balon jest idealnie kulisty. Kiedy ściskasz jedną stronę, zostaje ona spłaszczona i rozciągnięta w drugą stronę. Reprezentuje to, co dzieje się w ściśniętym stanie kwantowym: zmniejszasz niepewność (lub szum) w jednej wielkości, np. pozycji, ale robiąc to, zwiększasz niepewność w innej wielkości, np. pędu. Jednakże całkowita niepewność pozostaje taka sama, ponieważ po prostu redystrybuujesz ją między nimi. Chociaż ogólna niepewność pozostaje taka sama, to „zaciskanie” pozwala zmierzyć jedną z tych zmiennych ze znacznie większą precyzją niż wcześniej.
Technikę tę zastosowano już w celu poprawy dokładności pomiarów w sytuacjach, gdy potrzebny jest precyzyjny pomiar tylko jednej zmiennej, np. przy poprawie precyzji zegarów atomowych. Jednak stosowanie ściskania w przypadkach, gdy należy zmierzyć wiele czynników jednocześnie, takich jak położenie i pęd obiektu, jest znacznie trudniejsze.
W artykule naukowym opublikowanym w Badania dotyczące przeglądu fizycznegodr Le Bin Ho z Uniwersytetu Tohoku bada skuteczność techniki ściskania w zwiększaniu precyzji pomiarów w układach kwantowych z wieloma czynnikami. Analiza dostarcza wiedzy teoretycznej i numerycznej, pomagając w identyfikacji mechanizmów pozwalających osiągnąć maksymalną precyzję w tych skomplikowanych pomiarach.
„Badania mają na celu lepsze zrozumienie, w jaki sposób można zastosować ściskanie kwantowe w bardziej skomplikowanych sytuacjach pomiarowych obejmujących estymację wielu faz” – powiedział Le. „Wymyślając, jak osiągnąć najwyższy poziom precyzji, możemy utorować drogę nowym przełomom technologicznym w wykrywaniu i obrazowaniu kwantowym”.
W badaniu przyjrzano się sytuacji, w której trójwymiarowe pole magnetyczne oddziałuje z zespołem identycznych dwupoziomowych układów kwantowych. W idealnych przypadkach precyzja pomiarów może być tak dokładna, jak to tylko teoretycznie możliwe. Jednak wcześniejsze badania miały trudności z wyjaśnieniem, jak to działa, szczególnie w rzeczywistych sytuacjach, w których tylko w jednym kierunku osiągane jest pełne splątanie kwantowe.
Badania te będą miały szerokie implikacje. Zwiększenie precyzji pomiarów kwantowych dla wielu faz może znacząco przyczynić się do postępu w różnych technologiach. Na przykład obrazowanie kwantowe mogłoby generować ostrzejsze obrazy, radar kwantowy mógłby dokładniej wykrywać obiekty, a zegary atomowe mogłyby stać się jeszcze dokładniejsze, udoskonalając GPS i inne technologie wrażliwe na upływ czasu. W biofizyce może to doprowadzić do postępu w technikach takich jak MRI i zwiększyć dokładność pomiarów molekularnych i komórkowych, poprawiając czułość biosensorów stosowanych do wczesnego wykrywania chorób.
„Nasze odkrycia przyczyniają się do głębszego zrozumienia mechanizmów stojących za poprawą precyzji pomiarów w czujnikach kwantowych” – dodaje Le. „Te badania nie tylko przesuwają granice nauki kwantowej, ale także kładą podwaliny pod następną generację technologii kwantowych”.
Patrząc w przyszłość, Le ma nadzieję zbadać, jak ten mechanizm zmienia się pod wpływem różnych rodzajów hałasu i znaleźć sposoby na jego redukcję.
