Квантовая метрология

Схема получения связанных фотонных пар. Слева – желтый кольцевой резонатор, справа – интерферометры.

Сегодня физики напряженно работают над внедрением квантовой метрологии, которая уже успешно применяется в Лазерно-интерферометрической обсерватории LIGO (Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory). LIGO состоит из двух обсерваторий: в Ливингстоне (штат Луизина) и в Хэнфорде (штат Вашингтон), расстояние между ними – 3002 км. Понятно, что подобные размеры неприменимы в обычной жизни, о чем писали сотрудники Массачусетского технологического института в статье «Квантовое преимущество в метрологии».

В арифметике не важно, умножаете ли вы 6 на 7 или 7 на 6, поскольку величины «коммутируют» друг с другом. Но в квантовой теории величины не коммутируют, поэтому повышение точности (разрешения) не требует заоблачных цен. Квантовое преимущество новой метрологии, по мнению авторов, проистекает из неклассической теории отсутствия коммутации. Квантовая метрология обещает более «зрячие» микроскопы и телескопы, точнейшее измерение магнитного поля Земли, что сулит создание нового поколения навигационных приборов и многое другое.

Анализ вещества с помощью лазера, справа внизу цилиндрический детектор.

Один из подходов заключается в использовании гетерогенных материалов со спиновыми дефектами. Классический пример – так называемая азотная вакансия в алмазе. Она возникает в результате замещения одного из атомов углерода на азот в окружении электронных облаков, влияющих на спин электрона. В Аргоннской лаборатории и Чикагском университете предложили использовать не алмаз, а карбид кремния (SiC) с «допингом» в виде атома хрома. Ученым удалось показать точность и эффективность подхода в определении положения отдельных атомов. Результаты предварительных расчетов были затем смоделированы на квантовом компьютере Q5.

Другой подход связан с фотонами, преимущество которых заключается в том, что они в отличие от электронов не взаимодействуют друг с другом и окружающими атомами. Последние годы прошли под знаменем все возрастающих рекордов связности (энтенглмента) фотонов и электронов. Большая международная команда под руководством ученых из Научно-исследовательского института во французском Варене еще четыре года назад предложила использовать частотные решетки для получения связанных друг с другом мультифотонных квантовых состояний. Авторы статьи в журнале Science считали, что им удалось сделать большой скачок на пути создания квантовых компьютеров.

Хром (розовый шарик в центре) в спиновом дефекте. Белая стрелка показывает направление спина.  Иллюстрации Physorg

Между слоями GFT был добавлен промежуточный слой хлористого хрома (CrCl3). Спариванием слоев управляли с помощью ворот подачи напряжения не выше 4,36 вольта. Сингапурцы надеются, что гетероструктуры с допингом позволят создать сверхчувствительные магнитные сенсоры и считывающие головки, а также иные устройства и приборы.