Forscher entwickeln allgemeines Gerüst für die Entwicklung von Quantensensoren

Forscher der North Carolina State University und des Massachusetts Institute of Technology haben ein Protokoll entwickelt, um die Leistungsfähigkeit von Quantensensoren zu nutzen. Das Protokoll könnte Sensorentwicklern die Möglichkeit geben, Quantensysteme so zu optimieren, dass sie Signale von Interesse erfassen, und so Sensoren zu schaffen, die weitaus empfindlicher sind als herkömmliche Sensoren.

Ein Dokument, das die Arbeit beschreibt, ist veröffentlicht im Journal Quanten.

„Quantensensoren versprechen leistungsfähigere Sensorfunktionen, die sich der fundamentalen Grenze der Quantenmechanik annähern können. Die Herausforderung besteht jedoch darin, diese Sensoren so zu steuern, dass sie die gewünschten Signale finden“, sagt Yuan Liu, Assistenzprofessor für Elektro- und Computertechnik sowie Informatik an der NC State und korrespondierender Autor der Studie. Liu war zuvor Postdoktorand am MIT.

„Unsere Idee wurde von klassischen Filterdesignprinzipien der Signalverarbeitung inspiriert, die von Elektroingenieuren routinemäßig verwendet werden“, sagt Liu. „Wir haben diese Filterdesigns auf Quantensensorsysteme verallgemeinert, was es uns ermöglicht, ein im Wesentlichen unendlich dimensionales Quantensystem ‚fein abzustimmen‘, indem wir es mit einem einfachen zweistufigen Quantensystem koppeln.“

Konkret haben die Forscher ein algorithmisches Framework entwickelt, das ein Qubit mit einem bosonischen Oszillator verbindet. Qubits oder Quantenbits sind das Gegenstück der Quanteninformatik zu den Bits der klassischen Informatik – sie speichern Quanteninformationen und können nur in einer Überlagerung von zwei Basiszuständen vorliegen: ├ |0⟩, ├ |1⟩. Bosonische Oszillatoren sind das Quantenanalogon klassischer Oszillatoren (denken Sie an die Bewegung eines Pendels) und sie haben ähnliche Merkmale wie klassische Oszillatoren, aber ihre Zustände sind nicht auf eine lineare Kombination von nur zwei Basiszuständen beschränkt – sie sind unendlich dimensionale Systeme.

„Die Manipulation des Quantenzustands eines unendlichdimensionalen Sensors ist kompliziert, deshalb vereinfachen wir zunächst die Frage“, sagt Liu. „Anstatt zu versuchen, die Mengen unserer Ziele herauszufinden, stellen wir einfach eine Entscheidungsfrage: ob das Ziel die Eigenschaft X hat. Dann können wir die Manipulation des Oszillators so gestalten, dass sie diese Frage widerspiegelt.“

Durch Koppeln des unendlichdimensionalen Sensors mit dem zweidimensionalen Qubit und Manipulieren dieser Kopplung könnte der Sensor auf ein Signal von Interesse abgestimmt werden. Mittels Interferometrie werden die Ergebnisse in den Qubit-Zustand kodiert, der dann zur Ausgabe gemessen wird.

„Diese Kopplung gibt uns einen Einblick in den bosonischen Oszillator, so dass wir eine Polynomfunktion – ein mathematisches Verfahren zur Beschreibung von Wellenformen – verwenden können, um die Wellenfunktion des Oszillators so zu verändern, dass sie eine bestimmte Form annimmt und so den Sensor auf das jeweilige Zielobjekt abstimmt“, erklärt Liu.

„Sobald das Signal auftritt, machen wir die Formung rückgängig, was zu Interferenzen im unendlich dimensionalen System führt, die als lesbares Ergebnis zurückkommen – eine Polynomfunktion, die durch die ursprüngliche Polynomtransformation des Oszillators und des zugrunde liegenden Signals bestimmt wird – im Zwei-Ebenen-System des Qubits. Mit anderen Worten, wir erhalten am Ende eine Ja- oder Nein-Antwort auf die Frage, ob das gesuchte Objekt da ist. Und das Beste daran ist, dass wir das Qubit nur einmal messen müssen, um eine Antwort zu erhalten – es ist eine Single-Shot-Messung.“

Die Forscher betrachten die Arbeit als einen allgemeinen Rahmen für die Entwicklung von Quantensensorprotokollen für eine Vielzahl von Quantensensoren.

„Unsere Arbeit ist nützlich, weil sie auf relativ einfache Weise leicht verfügbare Quantenressourcen in führender Quantenhardware (einschließlich gefangener Ionen, supraleitender Plattformen und neutraler Atome) nutzt“, sagt Liu. „Dieser Ansatz dient als Alarm oder Indikator dafür, dass ein Signal vorhanden ist, ohne dass kostspielige wiederholte Messungen erforderlich sind. Es ist eine leistungsstarke Möglichkeit, nützliche Informationen effizient aus einem unendlich dimensionalen System zu extrahieren.“

Jasmine Sinanan-Singh und Gabriel Mintzer, beide Doktoranden am MIT, sind Co-Erstautoren der Studie. Isaac L. Chuang, Professor für Physik, Elektrotechnik und Informatik am MIT, hat ebenfalls an der Arbeit mitgewirkt.