Квантовые сенсоры — устройства, которые используют принципы квантовой физики для измерения крайне слабых сигналов — сегодня становятся основой передовых технологий. Они позволяют улавливать, например, мельчайшие изменения в магнитных полях мозга или почти незаметные гравитационные отклонения. Но десятилетиями развитие таких сенсоров сдерживалось одной проблемой — декогеренцией, то есть разрушением квантового состояния из-за внешнего шума.
Исследование, опубликованное в Nature Communications, показывает, как команда под руководством Эли Левенсон-Фалка, профессора физики в USC Dornsife и инженера в USC Viterbi, нашла способ временно стабилизировать квантовое состояние, тем самым значительно повысив чувствительность сенсора. В основе работы — новая протокольная система, разработанная на теоретической базе профессора Даниэля Лидара и аспиранта Кумара Саурава.
Ключ к успеху — в предсказуемом управлении когерентностью, свойством, которое позволяет квантовой системе сохранять информацию. В ходе эксперимента команда использовала сверхпроводящий кубит, один из самых чувствительных элементов для измерений на квантовом уровне. Сравнивая с классическим методом интерферометрии Рамсея, новый подход показал улучшение точности на 65%, а в некоторых системах теоретически возможен прирост до 96%.
Декогеренция — как если бы кто-то начал громко кричать рядом с тем, кто шепчет: вы просто теряете смысл сигнала. Наш метод делает этот шепот более разборчивым даже в самом шумном окружении.
Принцип работы напоминает удержание равновесия: вместо того, чтобы усиливать весь сигнал, команда научилась сохранять его ключевую часть стабильной дольше, позволяя ей расти до значений, ранее недостижимых. Это особенно важно там, где нужно улавливать очень слабые отклонения — например, в медицинской диагностике, при разработке навигационных систем или в экспериментах по проверке теорий о природе пространства и времени.
Еще одним важным преимуществом нового метода стало отсутствие необходимости в дополнительных системах обратной связи или сложном оборудовании. Протокол работает на стандартных квантовых устройствах и может быть внедрен практически сразу.
Эта работа — доказательство того, что мы еще не использовали весь потенциал квантовых сенсоров. Существуют более эффективные протоколы, которые ждут своего открытия. И они могут быстро повлиять на реальные технологии.
Для квантовых сенсоров, где каждая наносекунда может оказаться решающей, вопрос измерения — это всегда компромисс между скоростью и точностью. Недавно другая команда ученых показала, что этот компромисс можно обойти, задействовав дополнительные кубиты — об этом подробнее можно прочитать в этой статье.