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MIPT、量子からヒントを得た光センサ

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July, 13, 2020, Cambridge--MIPTの研究チームは、米国Argonne National Laboratoryの研究者とともに、簡素な光学ツールを使って物理量を計測する先進的量子アルゴリズムを実証した。
Scientific Reportsに発表された論文によると、チームの研究は、高性能特性を持ちながら、手ごろな価格の線形オブティクスベースセンサに一歩近づけている。そのようなツールは、天文学から生物学まで様々な研究分野で求められていた。

 計測ツールの感度を最大化することは、どんな分野の科学技術にとっても重要である。例を挙げれば、天文学は、遠隔の宇宙現象を検出使用歳、生物学者は非常に小さな有機的構造を区別する必要があり、エンジニアは物体の位置と速度を計測しなければならない。

 今日まで、どんな計測ツールも、いわゆるショットノイズ限界を超える精度を保証できなかった。これは、古典的観察に固有の統計的特性に関わるものである。量子技術は、これを回避する方法を示した。量子力学の基本な原理に起因する、ハイゼンベルク限界に精度を高めた。LIGO実験は、2016年に初めて重力波を検出したが、複雑な光学干渉スキームと量子技術を組み合わせることでハイゼンベルク限界精度を達成することができることを示している。

量子計測は、高精度量子計測を行う技術とアルゴリズムツールを持つ物理学の最先端領域である。最近の研究でMIPTとANLのチームは、量子計測と線形光学を融合させた。

「われわれは、フーリエ変換ベース位相評価手順を行う光学スキームを考案し、構築した。この手順は高精度計測プロトコルを含む、多くの量子アルゴリズムのコアに存在する」(Nikita Kirsanov)。

 多数の線形オブティクス素子、ビームスプリッタ、位相シフタ、ミラーの特殊なアレンジにより、幾何学的角度、位置、速度および他の物理パラメータについての情報が得られる。その計測は、光位相に関心がある量をエンコードする必要がある。これは、次に直接決定される。

「この研究は、汎用量子計測アルゴリズムについてのわれわれの研究のフォローアップである」とMIPTの主席研究者、Gordey Lesovik葉コメントしている。

実験では、スキームにおける光学素子の数は多いが、チューナブルであり、制御可能であることが示された。論文ので示された理論推定によると、線形オプティクスツールは、非常に複雑な操作への実装も実行可能である。
(詳細は、https://mipt.ru)