Fizycy z Uniwersytetu Warszawskiego opracowali metodę, która pozwoliła uzyskać około trzy razy więcej informacji o badanym polu mikrofalowym niż przy porównywalnym pomiarze bez wykorzystania kontrolowanych oddziaływań między atomami.
W eksperymencie zastosowano ultrazimne atomy Rydberga, wyjątkowo wrażliwe na pola elektryczne. Wynik nie oznacza jednak, że powstał czujnik automatycznie trzy razy dokładniejszy w każdych warunkach. Trzykrotnie wzrosła informacja Fishera, czyli matematyczna miara określająca, ile informacji o mierzonym parametrze można wydobyć z wyników konkretnego eksperymentu.
Najważniejsze informacje w skrócie:
- badania prowadzili naukowcy z UW i CeNT UW
- wykorzystano ultrazimne atomy rubidu-87 w stanach Rydberga
- eksperyment dotyczył pomiaru bardzo krótkich impulsów mikrofalowych
- badany impuls trwał zaledwie 160 nanosekund
- oddziaływania między atomami ograniczały skutki strat podczas detekcji
- informacja Fishera wzrosła około trzykrotnie
- wyniki opublikowano w „Nature Communications”
- metoda może pomóc w rozwoju bardziej odpornych czujników kwantowych
Atomy Rydberga są wyjątkowo czułe na pola mikrofalowe
Atomy Rydberga powstają, gdy jeden z elektronów zostanie wzbudzony do bardzo wysokiego stanu energetycznego. Znajduje się wtedy znacznie dalej od jądra niż zwykle, przez co cały atom może osiągać rozmiary nawet tysiące razy większe niż w stanie podstawowym. Taka konstrukcja sprawia, że atomy stają się bardzo wrażliwe na zewnętrzne pola elektryczne i mikrofalowe.
Warszawski zespół wykorzystał ultrazimne atomy rubidu-87 schłodzone do temperatury bliskiej zeru absolutnemu. Atomy umieszczono w pułapce magnetooptycznej, dzięki której ich ruch można ograniczyć, a stan kwantowy znacznie dokładniej kontrolować. Badacze wykorzystali je jednocześnie jako element wykrywający pole mikrofalowe oraz układ zdolny do przetwarzania informacji kwantowej.
W eksperymencie mierzono impulsy mikrofalowe trwające zaledwie 160 nanosekund. Uzyskana precyzja pojedynczego pomiaru wyniosła 217 ± 8 mikrovoltów na centymetr. Najważniejszą częścią doświadczenia nie była jednak sama czułość, lecz sposób, w jaki wzajemne oddziaływania atomów zmieniły odporność całego pomiaru na straty pojawiające się podczas detekcji.
Może Cię zainteresować: Jak działa komputer kwantowy? Proste wyjaśnienie krok po kroku
Trzy razy więcej informacji nie oznacza trzy razy dokładniejszego czujnika
Do porównania obu metod naukowcy wykorzystali informację Fishera. To wielkość matematyczna określająca, ile informacji o nieznanym parametrze znajduje się w wynikach pomiaru. W tym przypadku takim parametrem była siła pola mikrofalowego. Im większa informacja Fishera, tym mniejszą niepewność można teoretycznie uzyskać podczas estymacji badanej wartości.
W eksperymencie wartość informacji Fishera w układzie wykorzystującym oddziaływania atomów Rydberga była około trzy razy większa niż w odpowiadającym mu pomiarze bez takiej operacji. W publikacji naukowcy podają znormalizowany wynik 3,0 ± 0,3 względem standardowej procedury.
Nie należy jednak przeliczać tego bezpośrednio na „trzy razy większą dokładność”. Zależność pomiędzy informacją Fishera a minimalną możliwą niepewnością wynika z ograniczenia Craméra-Rao i nie jest liniowa. Wynik dotyczy też konkretnego układu eksperymentalnego, rodzaju strat i zastosowanego protokołu. Badacze pokazali przede wszystkim, że odpowiednio przygotowane oddziaływania mogą zachować znacznie więcej użytecznej informacji w pomiarze, który nie jest idealny.
Może Cię zainteresować: Nobel z fizyki 2026 za łapanie „cząstek-duchów”. Teleskop ukryto głęboko w lodzie Antarktydy
Straty nadal pogarszają pomiar. Polacy znaleźli sposób, by mniej szkodziły
W rzeczywistym czujniku część informacji zawsze ginie. Straty mogą pojawić się podczas przygotowania układu, jego ewolucji albo samej detekcji. Zwykle ich zwiększenie prowadzi do pogorszenia precyzji, dlatego jednym z głównych problemów metrologii kwantowej jest ograniczenie wpływu niedoskonałości aparatury na końcowy wynik.
Zespół z Warszawy wykorzystał oddziaływania dipolowe pomiędzy atomami Rydberga. Sam proces również wiąże się ze stratami, ale odpowiednio zmienia zbiorowy stan atomów jeszcze przed detekcją. Dzięki temu późniejsze straty podczas odczytu usuwają mniej informacji o mierzonym polu niż w układzie, w którym atomy działają niezależnie.
Mechanizm można porównać do przygotowania danych w taki sposób, aby były mniej podatne na błędy pojawiające się później. Naukowcy podkreślają przy tym, że straty same w sobie nadal są niekorzystne. Metoda nie sprawia, że czujnik z niedoskonałą detekcją staje się lepszy od idealnego układu bez strat. Pozwala natomiast znacznie ograniczyć konsekwencje problemu, którego w rzeczywistych urządzeniach nie da się całkowicie wyeliminować.
Czujnik może jednocześnie mierzyć i przetwarzać informację
Najciekawsza konsekwencja eksperymentu dotyczy sposobu wykorzystania atomów. W klasycznym czujniku element pomiarowy rejestruje sygnał, a późniejsze przetwarzanie odbywa się w osobnym systemie. Tutaj atomy Rydberga odpowiadają zarówno za wykrywanie pola mikrofalowego, jak i za kwantowe przetwarzanie informacji jeszcze przed jej odczytem.
Dzięki temu część mechanizmów znanych z przetwarzania informacji kwantowej można wykorzystać bez budowania pełnego komputera kwantowego. Autorzy wskazują, że podobne podejście może znaleźć zastosowanie w kolejnych czujnikach, w których precyzję ograniczają straty i niedoskonałości detekcji.
Prace zespołu Stanisława Kurzyny, Bartosza Niewelta, Mateusza Mazelanika, Wojciecha Wasilewskiego, Rafała Demkowicza-Dobrzańskiego i Michała Parniaka zostały opublikowane w „Nature Communications”. Na razie mamy do czynienia z eksperymentem laboratoryjnym, a nie gotowym sensorem przeznaczonym do masowego zastosowania. Wynik pokazuje jednak konkretny sposób zwiększania ilości informacji uzyskiwanej z pomiarów kwantowych bez konieczności eliminowania wszystkich strat z fizycznego układu.
Źródło: Uniwersytet Warszawski, Centrum Optycznych Technologii Kwantowych CeNT UW, Nature Communications. Opracowanie własne.
Dziękujemy za przeczytanie artykułu na Techoteka.pl.
Codziennie publikujemy najważniejsze informacje z Polski i ze świata dotyczące technologii, sztucznej inteligencji, nowych rozwiązań cyfrowych oraz trendów technologicznych, które kształtują przyszłość.
Obserwuj nas na Facebooku, aby być na bieżąco z najważniejszymi wydarzeniami ze świata technologii.
