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MIPT、量子からヒントを得た光センサの開発

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February, 10, 2021, Moscow--MIPTの研究者は、米国アルゴンヌ国立研究所(Argonne National Laboratory)のチームと協力して、簡素な光学ツールを使い物理量計測のための先進的な量子アルゴリズムを実行した。
Scientific Reportsに発表された研究は、ハイパフォーマンス特性を持つリニアオプティクスベースの廉価なセンサへ一歩近づいたことを示している。

計測ツールの感度を最大化することは、科学技術のどんな分野でも極めて重要である。
 これまで、いわゆるショットノイズ限界を超えて正確さを保証する計測ツールは存在しなかった。これは、古典的観察に内在する統計学的特性に関わる。量子技術は、これを回避する方法を提供し、精度を基本的ハイゼンベルク限界に押し上げる。これは、量子力学の基本原理に由来するものである。2016年に初めて重力波を検出したLIGO実験は、複雑な光学干渉スキームと量子技術を統合することでハイゼンベルク限界の感度を達成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ための技術とアルゴリズムツールに関する物理学の最先端領域である。最近の研究では、MIPTとANLのチームは、量子計測と線形オプティクスを融合させた。

MIPTのNikita Kirsanovは、「われわれはフーリエ変換ベースの位相推定手順を行う光学スキームを考案し、構築した。この手順は、多くの量子アルゴリズムの中核に存在する。これには高精度計測プロトコルが含まれる」とコメントしている。

多数の線形光学素子、ビームスプリッタ、位相シフタ、ミラーの特殊な配置により、物体の他のパラメタとともに幾何学的角度、位置、速度についての情報を得ることができる。その計測は、光位相に関心のある量をエンコーディングする必要があるが、これは,その後、直接決定されるようになっている。

「この研究は、汎用的な量子計測アルゴリズムに関するわれれの研究のフォローアップである。フィンランドのアールト大学(Aalto University)の研究グループとの以前の協働では、われわれは実験的に、トランズモン(transmon) qubitに同様の計測アルゴリズムを実行した」とMIPTの主席研究者、Gordey Lesovikはコメントしている

その実験から分かったことは、スキームにおける多数の光学素子にもかかわらず、それでもなお可変、制御可能であるということである。論文にある理論的推定によると、線形オプティクスツールは、非常に複雑な操作の実行でも存立可能である。

「研究は、線形オプティクスが、適切なスケールの量子計測とコンピュテーションの実行のための廉価で効果的なプラットフォームを提供することを実証した」とArgonneの著名なフェロー、Valerii Vinokurは、話している。

(詳細は、https://mipt.ru)