僅使用光學(xué)相干性來測量物體位置的設(shè)備。圖片來源：Nikita Kirsanov / MIPT

莫斯科物理技術(shù)學(xué)院的研究人員與美國阿貢國家實(shí)驗(yàn)室的同事一起，實(shí)施了一種先進(jìn)的量子算法，可使用簡單的光學(xué)工具測量物理量。他們的研究發(fā)表在《科學(xué)報(bào)告》上，使我們更接近價(jià)格合理且具有高性能的線性光學(xué)傳感器。在從天文學(xué)到生物學(xué)的各種研究領(lǐng)域中都尋求這種工具。

最大化測量工具的靈敏度對(duì)于任何科學(xué)和技術(shù)領(lǐng)域都是至關(guān)重要的。天文學(xué)家試圖發(fā)現(xiàn)遙遠(yuǎn)的宇宙現(xiàn)象，生物學(xué)家需要辨別極其微小的有機(jī)結(jié)構(gòu)，工程師們必須測量物體的位置和速度，僅舉幾個(gè)例子。

直到最近，還沒有測量工具能夠確保超過所謂的散粒噪聲極限的精度，而散粒噪聲極限與經(jīng)典觀測固有的統(tǒng)計(jì)特征有關(guān)。量子技術(shù)提供了一種解決此問題的方法，它基于量子力學(xué)的基本原理將精度提高到了基本的海森堡極限。LIGO實(shí)驗(yàn)于2016年首次檢測到引力波，結(jié)果表明，通過將復(fù)雜的光學(xué)干涉方案和量子技術(shù)相結(jié)合，可以實(shí)現(xiàn)海森堡有限的靈敏度。

量子計(jì)量學(xué)是物理學(xué)的前沿領(lǐng)域，與進(jìn)行高精度量子測量的技術(shù)和算法工具有關(guān)。在最近的研究中，來自MIPT和ANL的團(tuán)隊(duì)將量子計(jì)量學(xué)與線性光學(xué)技術(shù)融合在一起。

該研究的合著者，來自MIPT的Nikita Kirsanov說：“我們設(shè)計(jì)并構(gòu)建了一種光學(xué)方案，該方案運(yùn)行基于傅立葉變換的相位估計(jì)程序�！� “該程序是許多量子算法的核心，包括高精度測量協(xié)議�！�

大量線性光學(xué)元件（光束分離器，移相器和反射鏡）的特定布置使得可以獲得有關(guān)物理對(duì)象的幾何角度，位置，速度以及其他參數(shù)的信息。測量涉及對(duì)光學(xué)相位中的感興趣數(shù)量進(jìn)行編碼，然后直接確定這些數(shù)量。

MIPT量子信息技術(shù)物理實(shí)驗(yàn)室的負(fù)責(zé)人首席研究員Gordey Lesovik評(píng)論說：“這項(xiàng)研究是對(duì)我們在通用量子測量算法上的工作的后續(xù)。” “在與芬蘭阿爾托大學(xué)研究小組的早期合作中，我們實(shí)驗(yàn)性地對(duì)跨界量子比特實(shí)施了類似的測量算法�！�

實(shí)驗(yàn)表明，盡管該方案中有大量的光學(xué)元件，但仍是可調(diào)諧和可控制的。根據(jù)紙上提供的理論估計(jì)，線性光學(xué)工具可用于實(shí)施甚至更為復(fù)雜的操作。

Argonne杰出研究員Valerii Vinokur表示：“這項(xiàng)研究表明，線性光學(xué)器件為實(shí)施中等規(guī)模的量子測量和計(jì)算提供了一個(gè)負(fù)擔(dān)得起且有效的平臺(tái)。