來(lái)自莫斯科物理與技術(shù)研究所的研究人員，以及來(lái)自美國(guó)阿貢國(guó)家實(shí)驗(yàn)室的一位同事，利用簡(jiǎn)單的光學(xué)工具實(shí)現(xiàn)了一種先進(jìn)的量子算法來(lái)測(cè)量物理量。他們的研究發(fā)表在《科學(xué)報(bào)告》上，讓我們更接近價(jià)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(cè)量工具的靈敏度對(duì)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(cè)遙遠(yuǎn)的宇宙現(xiàn)象，生物學(xué)家需要辨別極其微小的有機(jī)結(jié)構(gòu)，工程師必須測(cè)量物體的位置和速度。

直到最近，沒(méi)有任何測(cè)量工具能夠確保精度超過(guò)所謂的散粒噪聲極限，這與經(jīng)典觀測(cè)固有的統(tǒng)計(jì)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(shí)驗(yàn)在2016年首次探測(cè)到引力波，表明通過(guò)結(jié)合復(fù)雜的光學(xué)干涉方案和量子技術(shù)，有可能實(shí)現(xiàn)海森堡限制的靈敏度。

量子計(jì)量學(xué)是物理學(xué)的一個(gè)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(cè)量。在他們最近的研究中，來(lái)自MIPT和ANL的團(tuán)隊(duì)將量子計(jì)量與線性光學(xué)融合在一起。

“我們?cè)O(shè)計(jì)并構(gòu)建了一個(gè)光學(xué)方案，運(yùn)行基于傅里葉變換的相位估計(jì)程序，”來(lái)自MIPT的研究合著者Nikita Kirsanov說(shuō)?！斑@個(gè)過(guò)程是許多量子算法的核心，包括高精度測(cè)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(cè)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(shí)驗(yàn)室的負(fù)責(zé)人Gordey Lesovik說(shuō)：“這項(xiàng)研究是我們?cè)谕ㄓ昧孔訙y(cè)量算法方面工作的后續(xù)。”“在早期與芬蘭阿爾托大學(xué)的一個(gè)研究小組的合作中，我們?cè)趖ransmon量子位上實(shí)驗(yàn)性地實(shí)現(xiàn)了一個(gè)類似的測(cè)量算法。”

實(shí)驗(yàn)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(jì)，線性光學(xué)工具對(duì)于實(shí)現(xiàn)甚至是相當(dāng)復(fù)雜的操作也是可行的。

“這項(xiàng)研究已經(jīng)證明，線性光學(xué)為實(shí)現(xiàn)中等規(guī)模的量子測(cè)量和計(jì)算提供了一個(gè)負(fù)擔(dān)得起的和有效的平臺(tái)，”Argonne杰出的研究員Valerii Vinokur說(shuō)。