Распределённое квантовое зондирование с многомодовыми состояниями N00N
Исследовательская группа доктора Хян-Таг Лим из Центра квантовых технологий Корейского института науки и технологий (KIST) продемонстрировала первую в мире распределённую квантовую сенсорную сеть сверхвысокого разрешения. Учёные создали двухфотонное многомодовое состояние N00N, запутанное по четырем модам пути, и использовала его для одновременного измерения двух различных фазовых параметров. В результате им удалось достичь приблизительно на 88% более высокой точности (улучшение на 2,74 дБ) по сравнению с традиционными методами, тем самым продемонстрировав производительность, приближающуюся к пределу Гейзенберга, не только в теории, но и в эксперименте. Исследование опубликовано в журнале Physical Review Letters.
Рис. 1. Генерация многомодовых состояний N00N с использованием состояний Белла, полученных интерферометром Саньяка, и передача сгенерированных состояний запутанности каждой моде. Оценка среднего значения двух фаз по локальным измерениям после кодирования фазы. Источник: Корейский институт науки и технологий (KIST).
Многомодовое состояние N00N, используемое исследователями KIST, включает в себя множество фотонов, запутанных вдоль определённых траекторий, что создаёт гораздо более плотные интерференционные полосы. В результате разрешение значительно повышается, и даже мельчайшие физические изменения могут быть обнаружены с высокой чувствительностью.
Эта технология не только приближается к пределу Гейзенберга — высшему уровню точности, достижимому с помощью квантовой технологии, — но и демонстрирует потенциал для применения в области получения изображений со сверхвысоким разрешением.
Рис. 2. Распределение квантовых состояний, генерируемых центральным узлом, по всем узлам, кодирование фаз в каждом узле и оценка произвольных линейных комбинаций фаз посредством локальных измерений. Источник: Корейский институт науки и технологий (KIST).
Рис. 3. (a) Распределение вероятностей как функция значения фазы, (b) Информация Фишера как функция значения фазы и (c) средний результат оценки двух фаз. Достигнуто повышение чувствительности на 88% (2,74 дБ) по сравнению с классическим пределом, что близко к пределу Гейзенберга. Источник: Корейский институт науки и технологий (KIST).
Достижение имеет широкий потенциал для применения в областях, требующих точной метрологии, включая науки о жизни, полупроводниковую промышленность, точную медицину и космические наблюдения. Например, это может обеспечить получение высокочетких изображений субклеточных микроструктур, которые трудно различить с помощью обычных микроскопов, обнаружение дефектов нанометрового масштаба в полупроводниковых схемах и точное наблюдение далеких астрономических структур, которые в противном случае выглядели бы размытыми через обычные телескопы.
