Gürültüye dayanıklı kuantum sensörleri oluşturmaya yeni bir yaklaşım

Kuantum mekaniği olaylarından yararlanarak ölçüm toplayan cihazlar olan kuantum sensörleri, klasik sensörlerden daha yüksek hassasiyetle son derece zayıf manyetik, yerçekimsel ve elektromanyetik sinyalleri potansiyel olarak tespit edebilir. Bazı kuantum sensörleri, uzak parçacıkların çok güçlü bir şekilde birbirine bağlanmasına ve bir parçacığın fiziksel durumunun diğerlerinin durumunu belirlemesine neden olan bir olgu olan dolaşıklıktan yararlanır.

Potansiyellerine rağmen, bu sensörler genellikle gürültüye (yani çevreden kaynaklanan dış etkenlere) karşı çok duyarlıdır. Bu, küçük çevresel bozuklukların ve donanım kusurlarının bile hassas kuantum durumlarını bozabileceği ve cihazların algılama hassasiyetini azaltabileceği anlamına gelir.

Guangdong-Hong Kong-Makao Büyük Körfez Bölgesi Kuantum Bilim Merkezi, Güney Bilim ve Teknoloji Üniversitesi ve Shenzhen Üniversitesi’ndeki araştırmacılar, yakın zamanda daha hassas ölçümler toplayabilen gürültüye duyarlı sensörler geliştirmek için yeni bir yöntem tanıttı. Yayınlanan bir makalede özetlenen yaklaşımları Fiziksel İnceleme Mektuplarıbelirli ölçüm görevlerinde iyi performans gösteren bir durumu aramak için ayarlanabilen bir dizi kuantum işlemi olan değişken bir kuantum devresine dayanır.

Makalenin ortak yazarlarından ve ortak yazarlarından Xiaodong Yang, CEİD’a şöyle konuştu: “Önceki bir çalışma, zaman dışı sıra bağdaştırıcısı (OTOC) ile kuantum Fisher bilgisi (QFI) arasında doğrudan bir bağlantı kurdu.”

“OTOC’ler çeşitli ölçeklenebilir kuantum platformlarında deneysel olarak ölçüldüğünden ve QFI, parametre tahmin belirsizliği üzerinde teorik bir sınır sağladığından, bu bağlantı bizi, algılama performansını değerlendirmek için OTOC’yi etkili bir değer figürü olarak kullanmaya motive ediyor. OTOC tabanlı değerlendirmeyi parametreli kuantum devreleriyle entegre ederek, böylece bu çalışmada sunulan gürültüye uyarlanabilir kuantum metroloji şemasını geliştirdik.”

OTOC, bir bozukluğun zaman içinde kuantum sistemi boyunca ne kadar güçlü bir şekilde yayıldığını izlemek için kullanılabilecek bir niceliktir. Öte yandan QFI, bir kuantum durumunun ölçmeye çalıştığı bilinmeyen bir miktar hakkında ne kadar bilgi içerdiğini ölçer. Araştırmacılar bu iki niceliğe dayanan yeni bir kuantum metroloji şeması geliştirdiler.

Gürültüye duyarlı bir kuantum metroloji şeması

Araştırmacılar, gerçekçi koşullar altında büyük ölçekli kuantum donanımında kuantum metrolojisi için en uygun prob durumlarını belirlemek ve uygulamak için bir yöntem tasarlamak istediler. Geliştirdikleri şema, belirli gürültü koşulları altında hassas ölçümlere olanak tanıyan bir prob durumunu tanımlayarak çalışıyor.

Yang, “Gürültüye duyarlı kuantum metroloji şeması, aday prob durumlarını hazırlamak için değişken bir kuantum devresini, bir parametre kodlama aşamasını ve algılama performanslarını verimli bir şekilde değerlendirmek için deneysel olarak ölçülen bir OTOC’yi içerir” diye açıkladı. “Modelsiz, donanım açısından verimli ve ölçeklenebilir olan bu plan, yakın vadeli kuantum cihazlarında gürültüye dayanıklı kuantum metrolojisine doğru pratik bir yol sağlıyor.”

Planlarının potansiyelini göstermek için araştırmacılar bunu yedi kubitlik bir nükleer spin sensörüne uyguladılar. Maksimum dolaşıklık durumunun optimal olduğunu varsaymak yerine, sensörün gerçek gürültülü koşulları altında en iyi performansı gösteren bir prob durumunu aramak için bir devre kullandılar. Ekip, aday durumları tekrar tekrar değerlendirerek ve kuantum devresini buna göre ayarlayarak sensörün hassasiyetini ve performansını geliştirebilir.

Yang, “Gerçekçi gürültülü kuantum donanımı üzerinde en uygun probları otomatik olarak tanımlayabilen etkili bir kuantum metroloji çerçevesi önerdik ve gösterdik” dedi. “Bu, ölçeklenebilir kuantum metrolojisine doğru pratik bir yol oluşturuyor, çünkü gerçekçi gürültünün varlığında büyük ölçekli kuantum sistemleri için en uygun probların belirlenmesi analitik ve sayısal olarak zorlu olmaya devam ediyor.”

Kuantum sensörlerini pratik uygulamalara yaklaştırıyoruz

İlk testlerde araştırmacılar, kendi yaklaşımları kullanılarak belirlenen optimal prob durumlarının, sabit bir manyetik alanı algılarken standart bir GHZ durumuna (yani belirli bir tür dolaşmış durum) kıyasla hassasiyeti 0,698 desibele kadar artırabildiğini buldu. Gelecekte, yaklaşımları ölçeklenebilirliğini değerlendirmek için daha büyük çoklu kübit sistemlere uygulanabilir.

Sonunda ekibin çabaları, çeşitli gerçek dünya uygulamaları için daha güvenilir ve gürültüye dayanıklı kuantum sensörlerin geliştirilmesine katkıda bulunabilir. Bu arada Yang ve meslektaşları gürültüye uyum sağlayan planlarını geliştirmeye ve değerlendirmeye devam etmeyi planlıyorlar.

Yang, “Gürültüye duyarlı öğrenme stratejimiz optimum probları tanımlayabilir, ancak tahmin edilen hassasiyet sınırlarına ulaşmak aynı zamanda optimize edilmiş okuma gerektirir” diye ekledi. “Bu nedenle bir sonraki önemli adım, prob hazırlığı ve okumanın ortak optimizasyonu için birleşik ve etkili bir çerçeve oluşturmak ve kuantum metrolojisi için uçtan uca optimizasyona olanak sağlamaktır. Ayrıca, önerilen şemanın ölçeklenebilirliğinden yararlanarak, yüzlerce kubit ile mevcut büyük ölçekli kuantum donanımı üzerindeki performansını göstermeyi ve kuantum avantajından daha fazla yararlanmayı hedefliyoruz.”