Насколько я чувствую
В рамках квантовой технологии квантовый датчик использует свойства квантовой механики, такие как квантовая запутанность , квантовая интерференция и сжатие квантового состояния , которые оптимизируют точность и превосходят текущие ограничения в сенсорной технологии . [ 1 ] Область квантового зондирования занимается разработкой и разработкой квантовых источников (например, запутанных) и квантовых измерений, которые способны превзойти производительность любой классической стратегии в ряде технологических приложений. [ 2 ] Это можно сделать с помощью фотонных систем. [ 3 ] или твердотельные системы. [ 4 ]
Характеристики
[ редактировать ]В фотонике и квантовой оптике фотонное квантовое зондирование использует запутанность , одиночные фотоны и сжатые состояния для выполнения чрезвычайно точных измерений. Оптическое зондирование использует непрерывно изменяющиеся квантовые системы, такие как различные степени свободы электромагнитного поля, колебательные моды твердых тел и конденсаты Бозе-Эйнштейна . [ 5 ] Эти квантовые системы можно исследовать, чтобы охарактеризовать неизвестное преобразование между двумя квантовыми состояниями. Существует несколько методов улучшения квантового освещения целей фотонными датчиками, которые использовались для улучшения обнаружения слабых сигналов с помощью квантовой корреляции. [ 6 ] [ 7 ] [ 8 ] [ 9 ] [ 10 ]
Квантовые датчики часто строятся на основе непрерывно изменяющихся систем, то есть квантовых систем, характеризующихся непрерывными степенями свободы, такими как квадратуры положения и импульса. Основной рабочий механизм обычно основан на оптических состояниях света, часто связанных с квантово-механическими свойствами, такими как сжатие или двухмодовая запутанность. [ 3 ] Эти состояния чувствительны к физическим преобразованиям, которые обнаруживаются с помощью интерферометрических измерений. [ 5 ]
Квантовое зондирование также может использоваться в нефотонных областях, таких как спиновые кубиты , захваченные ионы , потоковые кубиты , [ 4 ] и наночастицы . [ 11 ] Эти системы можно сравнивать по физическим характеристикам, на которые они реагируют, например, захваченные ионы реагируют на электрические поля, а спиновые системы реагируют на магнитные поля. [ 4 ] Захваченные ионы полезны благодаря своим квантованным уровням движения, которые сильно связаны с электрическим полем. Они были предложены для изучения шума электрического поля над поверхностями. [ 12 ] а в последнее время - датчики вращения. [ 13 ]
В физике твердого тела квантовый датчик — это квантовое устройство, реагирующее на стимул. Обычно это относится к датчику, который имеет квантованные уровни энергии , использует квантовую когерентность для измерения физической величины или использует запутанность для улучшения измерений, превосходящих то, что можно сделать с помощью классических датчиков. [ 4 ] Существует 4 критерия твердотельных квантовых датчиков: [ 4 ]
- Система должна иметь дискретные, разрешимые уровни энергии.
- Вы можете инициализировать датчик и выполнить считывание (включите и получить ответ).
- Вы можете последовательно манипулировать датчиком.
- Датчик взаимодействует с физической величиной и реагирует на нее. количество.
Исследования и приложения
[ редактировать ]Квантовые датчики находят применение в самых разных областях, включая микроскопию, системы позиционирования, коммуникационные технологии, датчики электрических и магнитных полей, а также в геофизических областях исследований, таких как разведка полезных ископаемых и сейсмология . [ 4 ] Многие измерительные устройства используют квантовые свойства для проведения измерений, такие как атомные часы , сверхпроводящие квантовые интерференционные устройства и ядерного магнитного резонанса . спектроскопия [ 4 ] [ 14 ] Благодаря новым технологическим достижениям отдельные квантовые системы можно использовать в качестве измерительных устройств, используя запутанность , суперпозицию , интерференцию и сжатие для повышения чувствительности и превосходства по эффективности классических стратегий.
Хорошим примером раннего квантового датчика является лавинный фотодиод (ЛФД). ЛФД использовались для обнаружения запутанных фотонов. При дополнительном охлаждении и усовершенствовании датчиков можно использовать фотоумножители (ФЭУ) в таких областях, как медицинская визуализация. ЛФД в виде двухмерных и даже трехмерных многослойных матриц могут использоваться в качестве прямой замены традиционных датчиков на основе кремниевых диодов. [ 15 ]
Агентство перспективных исследовательских проектов Министерства обороны (DARPA) запустило исследовательскую программу в области оптических квантовых датчиков, целью которой является использование идей квантовой метрологии и квантовой визуализации , таких как квантовая литография и состояние полудня . [ 16 ] для достижения этих целей с помощью оптических сенсорных систем, таких как лидар . [ 6 ] [ 17 ] [ 18 ] [ 19 ] Соединенные Штаты считают квантовое зондирование наиболее зрелой из квантовых технологий для военного использования, теоретически заменяющей GPS в зонах без покрытия или, возможно, действующей с возможностями ISR или обнаруживающей подводные или подземные конструкции или транспортные средства, а также ядерные материалы . [ 20 ]
- Фотонные квантовые датчики, микроскопия и детекторы гравитационных волн
Для фотонных систем текущие области исследований включают обратную связь и адаптивные протоколы. Это активная область исследований в области дискриминации и оценки потерь бозонов. [ 21 ]
Введение сжатого света в интерферометры позволяет повысить чувствительность к слабым сигналам, которые невозможно обнаружить классическим способом. [ 1 ] Практическое применение квантового зондирования реализуется при зондировании гравитационных волн. [ 22 ] Детекторы гравитационных волн , такие как LIGO , используют сжатый свет для измерения сигналов ниже стандартного квантового предела . [ 23 ] Сжатый свет также использовался для обнаружения сигналов ниже стандартного квантового предела в плазмонных сенсорах и атомно-силовой микроскопии . [ 24 ]
- Использование удаления проекционного шума
Квантовое зондирование также имеет возможность преодолеть пределы разрешения, где текущие проблемы исчезновения различимости между двумя близкими частотами могут быть решены путем исчезновения проекционного шума. [ 25 ] [ 26 ] Уменьшение проекционного шума имеет прямое применение в протоколах связи и наноядерном магнитном резонансе. [ 27 ] [ 28 ]
- Другие варианты использования запутанности
Запутанность можно использовать для улучшения существующих атомных часов [ 29 ] [ 30 ] [ 31 ] или создать более чувствительные магнитометры . [ 32 ] [ 33 ]
- Квантовые радары
Квантовый радар также является активной областью исследований. Современные классические радары могут опрашивать множество групп целей, в то время как квантовые радары ограничены одной поляризацией или дальностью. [ 34 ] Квантовый радар или квантовый осветитель, подтверждающий концепцию, использующий квантово-запутанные микроволны, смог обнаружить объекты с низкой отражательной способностью при комнатной температуре – это может быть полезно для усовершенствованных радиолокационных систем, сканеров безопасности и систем медицинской визуализации. [ 35 ] [ 36 ] [ 37 ]
- Нейровизуализация
В области нейровизуализации первый квантовый сканер мозга использует магнитную визуализацию и может стать новым подходом к сканированию всего мозга. [ 38 ] [ 39 ]
- Гравитационная картография подземных слоев
Квантовые гравитационные градиентометры , которые можно использовать для карты и исследования подземелий также находятся в разработке. [ 40 ] [ 41 ]
Ссылки
[ редактировать ]- ^ Jump up to: а б Ли, Донг; Гард, Брайан Т.; Гао, Ян; Юань, Чун-Хуа; Чжан, Вэйпин; Ли, Хван; Даулинг, Джонатан П. (19 декабря 2016 г.). «Фазовая чувствительность на пределе Гейзенберга в интерферометре SU (1,1) посредством обнаружения четности». Физический обзор А. 94 (6): 063840. arXiv : 1603.09019 . Бибкод : 2016PhRvA..94f3840L . дои : 10.1103/PhysRevA.94.063840 . S2CID 118404862 .
- ^ Радемахер, Маркус; Миллен, Джеймс; Ли, Ин Лия (1 октября 2020 г.). «Квантовое зондирование с помощью наночастиц для гравиметрии: чем больше, тем лучше» . Передовые оптические технологии . 9 (5): 227–239. arXiv : 2005.14642 . Бибкод : 2020AdOT....9..227R . дои : 10.1515/aot-2020-0019 . ISSN 2192-8584 . S2CID 219124060 .
- ^ Jump up to: а б Пирандола, С; Бардхан, БР; Геринг, Т.; Уидбрук, К.; Ллойд, С. (2018). «Достижения в области фотонного квантового зондирования». Природная фотоника . 12 (12): 724–733. arXiv : 1811.01969 . Бибкод : 2018NaPho..12..724P . дои : 10.1038/s41566-018-0301-6 . S2CID 53626745 .
- ^ Jump up to: а б с д и ж г Деген, CL; Рейнхард, Ф.; Каппелларо, П. (2017). «Квантовое зондирование». Обзоры современной физики . 89 (3): 035002. arXiv : 1611.02427 . Бибкод : 2017RvMP...89c5002D . дои : 10.1103/RevModPhys.89.035002 . S2CID 2555443 .
- ^ Jump up to: а б Адессо, Херардо; Рэджи, Сэмми; Ли, Энтони Р. (июнь 2014 г.). «Непрерывная переменная квантовая информация: гауссовы состояния и не только». Открытые системы и информационная динамика . 21 (1n02): 1440001. arXiv : 1401.4679 . дои : 10.1142/S1230161214400010 . S2CID 15318256 .
- ^ Jump up to: а б Гальего Торроме, Рикардо; Барзандже, Шабир (2023). «Достижения в области квантового радара и квантового лидара». Достижения квантовой электроники . 93 : 100497. arXiv : 2310.07198 . doi : 10.1016/j.pquantelec.2023.100497 .
- ^ Тан, Си-Хуэй; Эркмен, Барис И.; Джованнетти, Витторио; Гуха, Сайкат; Ллойд, Сет; Макконе, Лоренцо; Пирандола, Стефано; Шапиро, Джеффри Х. (18 декабря 2008 г.). «Квантовое освещение с гауссовскими состояниями». Письма о физических отзывах . 101 (25): 253601. arXiv : 0810.0534 . Бибкод : 2008PhRvL.101y3601T . doi : 10.1103/PhysRevLett.101.253601 . ПМИД 19113706 . S2CID 26890855 .
- ^ Шапиро, Джеффри Х; Ллойд, Сет (24 июня 2009 г.). «Квантовое освещение против обнаружения цели в когерентном состоянии». Новый журнал физики . 11 (6): 063045. arXiv : 0902.0986 . Бибкод : 2009NJPh...11f3045S . дои : 10.1088/1367-2630/11/6/063045 . S2CID 2396896 .
- ^ Барзанье, Ш.; Абди, М.; Милберн, Дж.Дж.; Томбези, П.; Виталий Д. (28 сентября 2012 г.). «Обратимый квантовый интерфейс оптико-микроволновой связи». Письма о физических отзывах . 109 (13): 130503. arXiv : 1110.6215 . Бибкод : 2012PhRvL.109m0503B . doi : 10.1103/PhysRevLett.109.130503 . ПМИД 23030075 . S2CID 6470118 .
- ^ Гуха, Сайкат; Эркмен, Барис И. (10 ноября 2009 г.). «Приемники квантового освещения с гауссовским состоянием для обнаружения целей». Физический обзор А. 80 (5): 052310. arXiv : 0911.0950 . Бибкод : 2009PhRvA..80e2310G . дои : 10.1103/PhysRevA.80.052310 . S2CID 109058131 .
- ^ Кустура, К.; Гонсалес-Баллестеро, К.; Де лос Риос Соммер, А.; Мейер, Н.; Кидант, Р.; Ромеро-Исарт, О. (7 апреля 2022 г.). «Механическое сжатие посредством неустойчивой динамики в микрополости». Письма о физических отзывах . 128 (14): 143601. arXiv : 2112.01144 . Бибкод : 2022PhRvL.128n3601K . doi : 10.1103/PhysRevLett.128.143601 . ПМИД 35476467 . S2CID 244799128 .
- ^ Брауннатт, М.; Кумф, М.; Рабл, П.; Блатт, Р. (11 декабря 2015 г.). «Измерения шума электрического поля вблизи поверхностей с помощью ионных ловушек». Обзоры современной физики . 87 (4): 1419–1482. arXiv : 1409.6572 . Бибкод : 2015РвМП...87.1419Б . дои : 10.1103/RevModPhys.87.1419 . S2CID 119008607 .
- ^ Кэмпбелл, W (23 февраля 2017 г.). «Измерение вращения с помощью захваченных ионов». Журнал физики Б. 50 (6): 064002. arXiv : 1609.00659 . Бибкод : 2017JPhB...50f4002C . дои : 10.1088/1361-6455/aa5a8f . S2CID 26952809 .
- ^ Пецце, Лука; Смерзи, Аугусто; Оберталер, Маркус К.; Шмид, Роман; Тройтлейн, Филипп (5 сентября 2018 г.). «Квантовая метрология с неклассическими состояниями атомных ансамблей». Обзоры современной физики . 90 (3): 035005. arXiv : 1609.01609 . Бибкод : 2018RvMP...90c5005P . doi : 10.1103/RevModPhys.90.035005 . S2CID 119250709 .
- ^ Кэмпбелл, Джо К. (январь 2007 г.). «Последние достижения в области телекоммуникаций лавинные фотодиоды» . Журнал световых технологий . 25 (1): 109–121. Бибкод : 2007JLwT...25..109C . дои : 10.1109/jlt.2006.888481 . S2CID 1398387 .
- ^ Израиль, Йонатан (2014). «Сверхчувствительная поляризационная микроскопия с использованием полуденных состояний света». Письма о физических отзывах . 112 (10): 103604. Бибкод : 2014PhRvL.112j3604I . doi : 10.1103/PhysRevLett.112.103604 . ПМИД 24679294 .
- ^ Программа квантовых датчиков DARPA .
- ^ ОБЪЯВЛЕНИЕ АГЕНТСТВА (BAA) 07-22 Квантовые датчики
- ^ Чжуан, Куньтао; Чжан, Чжэшэнь; Шапиро, Джеффри Х. (16 октября 2017 г.). «Лидары с улучшенной запутанностью для одновременного измерения дальности и скорости». Физический обзор А. 96 (4): 040304. arXiv : 1705.06793 . Бибкод : 2017PhRvA..96d0304Z . дои : 10.1103/PhysRevA.96.040304 . S2CID 54955615 .
- ^ Келли М. Сэйлер (7 июня 2021 г.). Учебник по обороне: квантовые технологии (PDF) (отчет). Исследовательская служба Конгресса . Проверено 22 июля 2021 г.
- ^ Лоуренс, Ричард; Волк, Космо; Спедальери, Гаэтана; Браунштейн, Сэмюэл Л.; Пирандола, Стефано (1 марта 2018 г.). «Моделирование каналов в квантовой метрологии». Квантовые измерения и квантовая метрология . 5 (1): 1–12. arXiv : 1712.06603 . Бибкод : 2018QMQM....5....1L . дои : 10.1515/qmetro-2018-0001 . S2CID 119001470 .
- ^ Барсотти, Лиза (2014). «Квантовое шумоподавление в интерферометре гравитационных волн LIGO со сжатыми состояниями света». CLEO: Приложения и технологии 2014 . п. AW3P.4. дои : 10.1364/CLEO_AT.2014.AW3P.4 . ISBN 978-1-55752-999-2 . S2CID 28876707 .
- ^ Ю, Хаокунь; Маккаллер, Л.; Це, М.; Киджбунчо, Н.; Барсотти, Л.; Мавалвала, Н. (июль 2020 г.). «Квантовые корреляции между светом и килограммовыми зеркалами LIGO». Природа . 583 (7814): 43–47. arXiv : 2002.01519 . Бибкод : 2020Natur.583...43Y . дои : 10.1038/s41586-020-2420-8 . ПМИД 32612226 . S2CID 211031944 .
- ^ Пузер, Рафаэль К.; Лори, Бенджамин (20 мая 2015 г.). «Сверхчувствительное измерение смещения микрокантилевера ниже предела дробового шума». Оптика . 2 (5): 393. arXiv : 1405.4767 . Бибкод : 2015Оптика...2..393P . дои : 10.1364/OPTICA.2.000393 . S2CID 118422029 .
- ^ Наир, Ранджит; Цанг, Манкей (4 ноября 2016 г.). «Сверхразрешение тепловых электромагнитных источников в дальней зоне на квантовом пределе». Письма о физических отзывах . 117 (19): 190801. arXiv : 1604.00937 . Бибкод : 2016PhRvL.117s0801N . doi : 10.1103/PhysRevLett.117.190801 . ПМИД 27858425 . S2CID 25870660 .
- ^ Цанг, Манкей; Наир, Ранджит; Лу, Сяо-Мин (29 августа 2016 г.). «Квантовая теория сверхразрешения для двух некогерентных оптических точечных источников». Физический обзор X . 6 (3): 031033. arXiv : 1511.00552 . Бибкод : 2016PhRvX...6c1033T . дои : 10.1103/PhysRevX.6.031033 . S2CID 32680254 .
- ^ Мейз, младший; Стэнвикс, Польша; Ходжес, Дж. С.; Хонг, С.; Тейлор, Дж. М.; Каппелларо, П.; Цзян, Л.; Датт, М.В. Гурудев; Тоган, Э.; Зибров А.С.; Якоби, А. (октябрь 2008 г.). «Наномасштабное магнитное зондирование с индивидуальным электронным спином в алмазе». Природа . 455 (7213): 644–647. Бибкод : 2008Natur.455..644M . дои : 10.1038/nature07279 . ПМИД 18833275 . S2CID 136428582 .
- ^ Конг, Си; Старк, Александр; Ду, Цзянфэн; МакГиннесс, Лиам П.; Железко, Федор (6 августа 2015 г.). «К разрешению химической структуры с помощью наномасштабной спектроскопии ядерного магнитного резонанса». Применена физическая проверка . 4 (2): 024004. arXiv : 1506.05882 . Бибкод : 2015PhRvP...4b4004K . doi : 10.1103/PhysRevApplied.4.024004 . S2CID 172297 .
- ^ Боллинджер, Дж. Дж.; Итано, Уэйн М.; Вайнленд, диджей; Хайнцен, ди-джей (1 декабря 1996 г.). «Оптимальные измерения частоты с максимально коррелированными состояниями». Физический обзор А. 54 (6): R4649–R4652. Бибкод : 1996PhRvA..54.4649B . дои : 10.1103/physreva.54.r4649 . ПМИД 9914139 .
- ^ Марчиняк, Кристиан Д.; Фельдкер, Томас; Погорелов Иван; Каубрюггер, Рафаэль; Васильев Денис Владимирович; Ван Бийнен, Рик; Шиндлер, Филипп; Золлер, Питер; Блатт, Райнер; Монц, Томас (23 марта 2022 г.). «Оптимальная метрология с программируемыми квантовыми датчиками». Природа . 603 (7902): 604–609. arXiv : 2107.01860 . Бибкод : 2022Природа.603..604М . дои : 10.1038/s41586-022-04435-4 . ПМИД 35322252 . S2CID 245837971 .
- ^ Франке, Йоханнес; Муледи, Шон Р.; Каубрюггер, Рафаэль; Кранцль, Флориан; Блатт, Райнер; Рей, Ана Мария; Джоши, Манодж К.; Роос, Кристиан Ф. (30 августа 2023 г.). «Квантовое зондирование оптических переходов посредством взаимодействий конечного радиуса действия» . Природа . 621 (7980): 740–745. arXiv : 2303.10688 . Бибкод : 2023Natur.621..740F . дои : 10.1038/s41586-023-06472-z . ISSN 0028-0836 . PMID 37648868 . S2CID 257632503 .
- ^ Аузиньш, М.; Будкер, Д.; Кимбалл, DF; Рочестер, СМ; Сталнакер, Дж. Э.; Сушков, АО; Ящук В.В. (19 октября 2004 г.). «Может ли квантовое измерение без разрушения улучшить чувствительность атомного магнитометра?». Письма о физических отзывах . 93 (17): 173002. arXiv : физика/0403097 . Бибкод : 2004PhRvL..93q3002A . дои : 10.1103/physrevlett.93.173002 . ПМИД 15525071 . S2CID 31287682 .
- ^ Гийом, Александр; Даулинг, Джонатан П. (27 апреля 2006 г.). «Измерения, ограниченные Гейзенбергом, со сверхпроводящими цепями». Физический обзор А. 73 (4): 040304(Р). arXiv : Quant-ph/0512144 . Бибкод : 2006PhRvA..73d0304G . дои : 10.1103/physreva.73.040304 . S2CID 33820154 .
- ^ Ланзагорта, Марко (31 октября 2011 г.). «Квантовый радар». Синтез лекций по квантовым вычислениям . 3 (1): 1–139. дои : 10.2200/S00384ED1V01Y201110QMC005 . S2CID 27569963 .
- ^ «Ученые демонстрируют прототип квантового радара» . физ.орг . Проверено 12 июня 2020 г.
- ^ « Квантовый радар» использует запутанные фотоны для обнаружения объектов» . Новый Атлас . 12 мая 2020 г. Проверено 12 июня 2020 г.
- ^ Барзанье, С.; Пирандола, С.; Виталий Д.; Финк, Дж. М. (1 мая 2020 г.). «Микроволновое квантовое освещение с использованием цифрового приёмника» . Достижения науки . 6 (19): eabb0451. arXiv : 1908.03058 . Бибкод : 2020SciA....6..451B . дои : 10.1126/sciadv.abb0451 . ПМЦ 7272231 . ПМИД 32548249 .
- ^ «Исследователи создают первый модульный квантовый датчик мозга, записывающий сигнал» . физ.орг . Проверено 11 июля 2021 г.
- ^ Куссенс, Томас; Абель, Кристофер; Гиалопсу, Айкатерини; Бэйсон, Марк Г.; Джеймс, Тим М.; Оручевич, Федя; Крюгер, Питер (10 июня 2021 г.). «Модульная система магнитометра с оптической накачкой». arXiv : 2106.05877 [ physical.atom-ph ].
- ^ Стрэй, Бен; Лэмб, Эндрю; Кошик, Аиша; Воврош, Джейми; Роджерс, Энтони; Лебедка, Джонатан; Хаяти, Фарзад; Боддис, Дэниел; Стабрава, Артур; Ниггебаум, Александр; Ланглуа, Мехди; Лиен, Ю-Хун; Леллуш, Сэмюэл; Рошанманеш, Саназ; Ридли, Кевин; де Вильерс, Джеффри; Браун, Гарет; Кросс, Тревор; Таквелл, Джордж; Фарамарзи, Асаад; Метье, Николь; Бонгс, Кай; Холинский, Майкл (февраль 2022 г.). «Квантовое зондирование для гравитационной картографии» . Природа . 602 (7898): 590–594. Бибкод : 2022Natur.602..590S . дои : 10.1038/s41586-021-04315-3 . ISSN 1476-4687 . ПМЦ 8866129 . ПМИД 35197616 .
- ^ «Прорыв в области квантового датчика гравитации открывает путь к созданию революционной карты мира под поверхностью Земли» . СайТехДейли . 27 февраля 2022 г. . Проверено 2 марта 2022 г.