來自莫斯科物理與技術(shù)研究所的研究人員，以及來自美國阿貢國家實驗室的一位同事，利用簡單的光學(xué)工具實現(xiàn)了一種先進的量子算法來測量物理量。他們的研究發(fā)表在《科學(xué)報告》上，讓我們更接近價格低廉的高性能線性光學(xué)傳感器。從天文學(xué)到生物學(xué)，各種研究領(lǐng)域都在尋求這種工具。

最大限度地提高測量工具的靈敏度對于任何科學(xué)技術(shù)領(lǐng)域都是至關(guān)重要的。例如，天文學(xué)家試圖探測遙遠的宇宙現(xiàn)象，生物學(xué)家需要辨別極其微小的有機結(jié)構(gòu)，工程師必須測量物體的位置和速度。

直到最近，沒有任何測量工具能夠確保精度超過所謂的散粒噪聲極限，這與經(jīng)典觀測固有的統(tǒng)計特性有關(guān)。量子技術(shù)提供了一種解決方法，將精度提高到基本的海森堡極限，這源于量子力學(xué)的基本原理。LIGO實驗在2016年首次探測到引力波，表明通過結(jié)合復(fù)雜的光學(xué)干涉方案和量子技術(shù)，有可能實現(xiàn)海森堡限制的靈敏度。

量子計量學(xué)是物理學(xué)的一個前沿領(lǐng)域，涉及的技術(shù)和算法工具，以作出高度精確的量子測量。在他們最近的研究中，來自MIPT和ANL的團隊將量子計量與線性光學(xué)融合在一起。

“我們設(shè)計并構(gòu)建了一個光學(xué)方案，運行基于傅里葉變換的相位估計程序，”來自MIPT的研究合著者Nikita Kirsanov說?！斑@個過程是許多量子算法的核心，包括高精度測量協(xié)議?！?

大量的線性光學(xué)元件——分束器、移相器和反光鏡——的特殊排列使得獲取幾何角度、位置、速度以及其他物理物體的參數(shù)成為可能。測量包括編碼感興趣的光學(xué)相位的數(shù)量，然后直接確定。

量子信息技術(shù)物理MIPT實驗室的負責(zé)人Gordey Lesovik說：“這項研究是我們在通用量子測量算法方面工作的后續(xù)?！薄霸谠缙谂c芬蘭阿爾托大學(xué)的一個研究小組的合作中，我們在transmon量子位上實驗性地實現(xiàn)了一個類似的測量算法?！?

實驗表明，盡管該方案中含有大量的光學(xué)元件，但它是可調(diào)可控的。根據(jù)論文中提供的理論估計，線性光學(xué)工具對于實現(xiàn)甚至是相當(dāng)復(fù)雜的操作也是可行的。

“這項研究已經(jīng)證明，線性光學(xué)為實現(xiàn)中等規(guī)模的量子測量和計算提供了一個負擔(dān)得起的和有效的平臺，”Argonne杰出的研究員Valerii Vinokur說。