Команда исследователей из Московского физико-технического института, Университета Аалто (Финляндия) и Политехнического университета Цюриха продемонстрировала сверхчувствительный кубитный магнитометр — устройство, которое использует квантовые технологии и машинное обучение, чтобы измерять магнитные поля точнее, чем любой классический аналог. Подобные измерения нужны для работы будущих квантовых компьютеров и современных сверхчувствительных детекторов в медицине, геологоразведке и даже астрономии.

В природе существуют ограничения на точность измерения. Представьте рентгеновский снимок: как правило, он довольно размыт, и иногда только опытный врач может правильно интерпретировать его. Довольно слабый контраст между различными тканями может быть улучшен более долгим временем экспозиции, большей мощностью лучей или путём объединения различных независимых рентгеновских снимков. Тем не менее, существует важное ограничение: человек не может подвергаться продолжительному облучению.

Характерным пределом точности измерения является так называемый стандартный квантовый предел: точность измерения обратно пропорциональна квадратному корню из использованных «ресурсов». Это значит, что привлечение дополнительных ресурсов — времени измерения, мощности излучения, количества снимков и т. д. — повышает точность, но для достижения очень высокой точности требуются колоссальные ресурсы. Например, чтобы выиграть в точности в 10 раз, нужно проводить измерение в 100 раз дольше. Это ограничение справедливо для всех классических инструментов.

В работе, опубликованной в престижном журнале npj Quantum Information, представлено устройство — квантовый кубитный магнитометр — позволяющее измерять магнитные поля с точностью, превышающей стандартный квантовый предел.

«Когда изучаешь природу, всегда имеешь так или иначе дело с электромагнитными сигналами, будь то человеческий мозг или вспышка сверхновой, — поясняет Андрей Лебедев, ведущий научный сотрудник лаборатории физики квантовых информационных технологий МФТИ и автор работы. — Поэтому измерять магнитные поля приходится в самых разных областях, и хотелось бы делать это как можно точнее».

Принцип работы кубитного магнитометра основан на использовании квантово-механических свойств сверхпроводящего «искусственного атома» — миниатюрного устройства, сделанного из перекрывающихся тонких плёнок алюминия, нанесённых на поверхность кремниевого чипа.

Когда такое устройство охлаждается до очень низких температур, происходит необычное явление: электрический ток в нём начинает течь без какого-либо сопротивления и проявлять квантово-механические свойства, сродни тем, что присутствуют в реальных атомах. При облучении такого устройства микроволновым излучением, подобным излучению, используемому в микроволновках, квантовое состояние искусственного атома начинает меняться. Как оказывается, это изменение зависит от величины окружающего магнитного поля, и измеряя состояние атома, можно измерить и величину магнитного поля.

Чтобы извлечь из искусственного атома информацию о внешнем магнитном поле, учёные помещали устройство в поле и проверяли, как состояние кубита менялось за промежуток между двумя импульсами микроволнового излучения. Такой эксперимент повторялся многократно, при этом авторы контролировали временную задержку между двумя импульсами.

Однако для того чтобы преодолеть стандартный квантовый предел, потребовался ещё один трюк: авторы совместили квантовые технологии с одним из распространённых методов машинного обучения.

«Мы используем адаптивную технику измерения: на первом шаге мы делаем измерение при некотором наперёд заданном значении временной задержки между управляющими микроволновыми импульсами, а затем, в зависимости от результата, мы даём решить нашему алгоритму, как изменить контрольный параметр измерительной схемы, то есть задержку между импульсами, на следующем шаге. Это позволяет достичь наилучшей точности измерения магнитного поля», — объясняет Андрей Лебедев.

«Наша работа является прекрасным примером того, как квантовые технологии могут быть использованы на практике: объединяя квантовые явления с техникой измерения, основанной на методах машинного обучения, мы можем улучшить чувствительность магнитометров и преодолеть ограничения, налагаемые стандартным квантовым пределом», — говорит Лебедев.

Российские авторы исследования благодарят Министерство образования и науки РФ и РФФИ за оказанную финансовую поддержку.