Квантовая тишина: как ученые победили шум измерений

На первый взгляд — просто стол с приборами. Но именно здесь, среди линз и лазеров, квантовая физика учится слушать Вселенную тише шума. И делает это так, что однажды поможет заглянуть внутрь мозга и поймать след от слияния черных дыр.

Миниатюрная установка, разработанная в Копенгагене, впервые объединила сжатый свет и атомные спины в компактной системе. Это позволяет преодолеть квантовый предел чувствительности без громоздких лабораторных конструкций и открывает путь к созданию универсальных квантовых датчиков

Источник: Unsplash

2 июля в Nature опубликовано исследование Института Нильса Бора Копенгагенского университета. Ученые разработали компактную установку, которая позволяет измерять сигналы с чувствительностью выше стандартного квантового предела — физического рубежа, обусловленного фундаментальными флуктуациями в квантовых системах.

Ключ к прорыву — сочетание оптического сжатого света, спиновых систем и эффекта квантовой запутанности, то есть тонкой корреляции между состояниями частиц. В отличие от гигантских установок вроде 300-метровых резонаторов в обсерваториях LIGO или VIRGO, новая система укладывается на обычный лабораторный стол.

Компактная установка на столе способна выполнять задачи, для которых раньше требовались километры оптических систем

Источник: Ola Jakup Joensen

Она объединяет сжатый свет с ансамблем атомных спинов, которые обладают свойством отрицательной массы. Это позволяет гибко менять характер квантового шума на разных частотах. В результате одна и та же установка может устранять как шум обратного действия, возникающий от самого акта измерения, так и шум, связанный с неопределенностью в детекторах.

Все это делает систему особенно полезной для широкополосного зондирования. Такой подход применим как в астрофизике, например, для улавливания слабейших колебаний пространства-времени от слияния черных дыр, так и в медицине — при создании более чувствительных биосенсоров или повышении точности магнитно-резонансной томографии.

Такая технология может значительно повысить чувствительность МРТ, улучшив раннюю диагностику неврологических и других заболеваний. Благодаря подавлению квантового шума, сигнал от тканей становится более четким и точным

Источник: Unsplash

Профессор Юджин Ползик, один из авторов работы, отмечает, что архитектура может быть легко адаптирована для квантовой памяти и защищенной связи. Это делает новую установку не просто экспериментом, а шагом к универсальной платформе для измерений и коммуникации на базе квантовых эффектов.

Ранее подавление квантового шума в гравитационных детекторах требовало оптических резонаторов длиной сотни метров. Новая система демонстрирует аналогичный эффект на настольном уровне, открывая возможности для компактных установок нового поколения

Источник: LIGO

Если раньше преодоление квантового предела требовало километров оптики, сегодня достаточно аккуратно собранного устройства размером с обеденный стол. И это только начало.

Пока исследователи создают компактные квантовые системы, способные уловить слабейшие колебания пространства-времени, в космосе начинается нечто гораздо масштабнее. Ранее Наука Mail рассказала, как Европа приступила к строительству первой орбитальной обсерватории, специально предназначенной для регистрации гравитационных волн.