Учёные из Корейского института науки и технологий (KIST) успешно продемонстрировали первую в мире сверхточную и сверхчувствительную распределённую сеть квантовых датчиков, чувствительность которой приближается к пределу Гейзенберга — фундаментальному барьеру в квантовой механике, за которым становится невозможно отличить полезный сигнал от шума.
Этот подход также является одним из первых в своей области, где эксперименты проводятся с одновременным использованием нескольких запутанных фотонов, что обеспечивает беспрецедентную чувствительность и точность, недостижимые для методов с одиночными запутанными частицами.
В то время как предыдущие подходы к созданию распределённых квантовых сетей были нацелены на повышение точности измерений, новая методика впервые использует этот беспрецедентный уровень точности для получения изображений с более высоким разрешением. Использование нескольких квантовых датчиков в унисон аналогично тому, как астрономы применяют несколько обсерваторий для измерения одного явления с большей детализацией, чем могла бы достичь любая отдельная обсерватория.
Исследовательская группа под руководством доктора Хян-Тага Лима из Центра квантовых технологий KIST использовала специализированное квантово-запутанное состояние, известное как «многомодовое состояние N00N», для достижения ранее недоступной точности и разрешающей способности. Квантовая запутанность — это явление, при котором изменения одного фотона мгновенно отражаются на его запутанном партнёре, независимо от расстояния. В данном применении запутанные фотоны позволили одновременно детектировать несколько параметров.
Заявлено, что распределённая сенсорная сеть команды KIST превосходит Стандартный Квантовый Предел за счёт использования запутанного «многомодового состояния N00N», что позволяет проводить коррелированное измерение нескольких параметров с усиленной фазовой чувствительностью. В экспериментах исследователи создали двухфотонное многомодовое состояние N00N, запутанное по четырем различным модам пути. Команда заявила, что такое распределение позволило им одновременно «измерять» два разных параметра.
При оценке результатов испытаний исследователи установили, что эта первая в своём роде установка продемонстрировала «приблизительно на 88% более высокую точность (улучшение на 2,74 дБ)» по сравнению с существующими методами. Этот результат показал, что чувствительность системы приближается к пределу Гейзенберга не только в теории, но и на эксперименте. Учёные добавили, что это достижение демонстрирует, что «даже самые малейшие физические изменения могут быть обнаружены с высокой чувствительностью».
Доктор Хян-Таг Лим отметил, что данное достижение является важной вехой, демонстрирующей потенциал практических квантовых сенсорных сетей на основе технологий квантовой запутанности. Обсуждая потенциальные применения, команда доктора Лима заявила, что достижение имеет «широкий потенциал для применения» в различных областях, включая науки о жизни, прецизионную медицину, производство полупроводников и космические наблюдения. К примеру, оно может позволить получить высокодетализированные изображения субклеточных микроструктур, которые сложно разрешить с помощью обычных микроскопов, обнаруживать дефекты нанометрового масштаба в полупроводниковых схемах и точно наблюдать удалённые астрономические структуры, которые в обычные телескопы кажутся размытыми. Доктор Лим заключил, что в будущем, в сочетании с технологией квантовых чипов на основе кремниевой фотоники, это может найти применение в самых разных повседневных областях.