Точные измерения лежат в основе передовой науки и техники. Без них не было бы ни качественной биовизуализации, ни поиска крошечных дефектов в чипах, ни наблюдений далеких галактик через космические телескопы. Однако обычные датчики упираются в физический потолок — стандартный квантовый предел. Чтобы его обойти, придумали распределенные квантовые сенсоры. Идея в том, чтобы объединить несколько разнесенных в пространстве датчиков в одну большую квантовую систему — так измерения становятся гораздо точнее. Раньше ученые в основном гнались за точностью, а возможность использовать этот подход для получения сверхчетких изображений почти не исследовали.

Группа доктора Хян Тага Лим из Центра квантовых технологий Корейского института науки и технологий (KIST) впервые в мире продемонстрировала распределенную квантовую сенсорную сеть с ультравысоким разрешением. Исследователи применили особое квантовое состояние — многомодовое состояние N00N. Оно позволило одновременно поднять и точность, и разрешение.

Подробности опубликованы в издании Physical Review Letters.

Раньше в распределенных датчиках использовали запутанные состояния с одним фотоном. Они повышают точность, но для высокого разрешения нужна тонкая работа с интерференционной картиной, а здесь такие состояния слабы. Многомодовое состояние N00N, которое взяли корейские физики, включает несколько фотонов, запутанных по определенным траекториям. В результате интерференционные полосы становятся намного гуще. Это дает два плюса:

• разрешение резко вырастает,
• даже ничтожные изменения физических величин фиксируются с высокой чувствительностью.

Новая методика почти достигает так называемого предела Гейзенберга — это потолок точности, который принципиально доступен квантовым технологиям. Кроме того, работа открывает путь к сверхразрешающей визуализации. Это особенно важно, потому что ведущие страны (США и Европа) уже объявили квантовые сенсоры стратегическим приоритетом и вкладывают в них большие деньги. Теперь у Южной Кореи появляется шанс занять сильную позицию на этом поле.

Ученые создали двухфотонное многомодовое N00N-состояние, запутанное сразу по четырем пространственным путям, и с его помощью измерили два разных фазовых параметра одновременно. Результаты впечатляют: точность оказалась примерно на 88 процентов выше, чем у обычных методов (улучшение на 2,74 децибела). То есть предельная теоретическая точность стала реальностью в эксперименте.

Где это может пригодиться? Практически везде, где нужны прецизионные измерения. Несколько примеров.

Доктор Хян Таг Лим из KIST сказал:

Это важный рубеж, который показывает: практические квантовые сенсорные сети на основе запутанности действительно возможны. В будущем, если объединить нашу разработку с квантовыми чипами на кремниевой фотонике, технологию можно будет применять повседневно и в самых разных задачах.

Для дальнейших исследований это настоящий прорывной маяк. Раньше распределенные квантовые сенсоры рассматривали почти исключительно как инструмент для повышения точности измерений, а разрешение оставалось на втором плане. Лим и его коллеги показали, что эти две задачи можно решать одновременно, используя многомодовые N00N-состояния. Теперь у других групп появляется четкая дорожная карта: вместо того чтобы усложнять системы добавлением новых датчиков, можно выиграть за счет внутренней структуры квантового состояния. Кроме того, экспериментальное подтверждение приближения к пределу Гейзенберга с улучшением почти 90 процентов — это сильный аргумент для финансирующих организаций.

Для реальной жизни польза тоже огромна, хотя и не лежит на поверхности. Например, в производстве чипов каждый год тратятся миллиарды долларов на контроль качества. Нанометровые дефекты — основная причина брака. Если технологию удастся сделать компактной и не слишком дорогой, производители получат инструмент, который прямо сейчас невозможен. В биомедицине сверхчеткая визуализация живых клеток без их разрушения позволит увидеть, как работают отдельные белки или вирусы в реальном времени — это новый уровень понимания болезней. А в астрономии распределенные квантовые сенсоры могут объединить сигналы от нескольких небольших телескопов так, что они станут работать как один гигантский — без необходимости строить многомиллиардные монстры вроде тридцатиметрового телескопа.

И как всегда немного покритикую.

• Первое и главное: на данный момент эксперимент проведен всего с двумя фотонами. Это лабораторная демонстрация, а не готовая технология. В реальных условиях потерь и шумов, особенно при масштабировании на десятки и сотни фотонов, многомодовые N00N-состояния чрезвычайно хрупки. Увеличение числа фотонов приводит к экспоненциальному падению стойкости к потерям. Авторы не приводят оценок того, как быстро разрушится их преимущество в 88 процентов при внесении даже небольшого затухания в линии связи.
• Второе: достигнутое улучшение — 2,74 децибела — это безусловно прогресс, но до полного предела Гейзенберга (который дал бы 3 дБ для двух фотонов) не хватает примерно 0,26 дБ. Вроде бы мелочь, но именно эти последние доли децибела — самые трудные. В статье не сказано, вызваны ли потери принципиальными ограничениями схемы или просто неоптимальной настройкой. Без ответа на этот вопрос неясно, сможет ли метод масштабироваться дальше.
• Третье: работа позиционируется как первый шаг к практическим приложениям, но пока не предложено ни одного конкретного прототипа сенсора для реальной задачи. Измеряли фазовые параметры в идеальных лабораторных условиях, а не, скажем, рельеф биологического образца или топографию чипа. Разрыв между демонстрацией принципа и реальным прибором здесь очень велик.

Ранее мы разбирались, когда квантовые вычисления станут реальностью.