Квантовые сенсоры перестали ломаться от каждого шороха — настало время настоящих вычислений

Учёные из Национального университета Сингапура представили новый подход в области квантовой метрологии — направления, которое использует законы квантовой физики для достижения рекордной точности измерений. Эта методика может стать основой для создания более чувствительных сенсоров и технологий, способных фиксировать крайне слабые сигналы, что особенно важно, например, для навигации.

Квантовая метрология опирается на свойства частиц микромира и позволяет преодолевать ограничения классических измерительных систем. Для этого часто используют сильно запутанные конфигурации, например, так называемые состояния Гринбергера–Хорна–Цайлингера (GHZ). Однако на практике такие структуры крайне сложно создать и поддерживать — они нестабильны и легко разрушаются под воздействием внешней среды.

И вот команда под руководством профессора Гун Цзяньбина из физического факультета Национального университета Сингапура предложила изящное решение. В своей работе они использовали модель, известную как квантовый волчок с периодическими толчками (quantum kicked top) — хорошо изучённую систему, описывающую динамику вращения квантовых объектов под действием регулярных импульсных воздействий.

Главное отличие подхода в том, что исследование начинается не с хрупкого запутанного состояния, а с более стабильной и легко воспроизводимой когерентной спиновой конфигурации SU(2). Такие структуры проще создавать в лаборатории, что значительно облегчает подготовку и проведение измерений.

Под действием точно рассчитанных периодических возмущений начальное состояние постепенно превращается в запутанное, способное аккумулировать полезную информацию. При определённых резонансных условиях происходит обратный переход к исходной конфигурации — благодаря эффекту квантового рецидива.

Такая обратимая динамика позволяет готовить и измерять состояния в удобной, устойчивой форме, при этом достигая уровня чувствительности, который ранее был доступен только при работе со сложными запутанными структурами.

По словам авторов, новый протокол позволяет приблизиться к фундаментальному пределу точности, определяемому соотношением Гейзенберга.

Для оценки эффективности схемы используется показатель квантовой информации Фишера (QFI) — ключевая характеристика, определяющая максимально возможную точность измерений. В рамках предложенного подхода значение QFI увеличивается пропорционально квадрату числа частиц и продолжительности эксперимента, что позволяет достигать оптимальных результатов для квантовых систем.

Существенный плюс новой технологии — её устойчивость к внешним помехам, неизбежным в практических условиях. Даже при воздействии марковского шума — одного из наиболее распространённых видов декогеренции, когда взаимодействие с окружающей средой разрушает хрупкие квантовые конфигурации, схема сохраняет высокую чувствительность и точность.

Это значительно приближает квантовую метрологию к реальному применению. Ведь именно нестабильность квантовых структур и сложность их подготовки долгое время оставались главным препятствием для выхода подобных технологий за пределы лабораторий.

Ещё одно заметное преимущество — совместимость метода с уже существующим оборудованием. Его можно внедрить на стандартных экспериментальных платформах, основанных на ионах в ловушках или охлаждённых атомах, без необходимости разрабатывать сложные приборы или прибегать к редким материалам. Достаточно лишь скорректировать рабочие параметры системы.

Отказ от сложной подготовки запутанных состояний и высокая устойчивость к внешнему воздействию делают методику удобным инструментом для создания практичных и масштабируемых квантовых сенсоров .

В будущем такие сенсоры могут найти применение не только в научных лабораториях, но и в навигации, системах позиционирования, гравитационном мониторинге и других сферах, где необходимо фиксировать минимальные колебания или улавливать крайне слабые сигналы.