В точных измерениях давно существует физический предел, который мешает датчикам работать точнее определённого уровня. Учёные из Корейского института науки и технологий (KIST) впервые в мире нашли способ одновременно преодолеть этот предел и по точности, и по разрешению.
Группа доктора Хян Тага Лима применила особое квантовое состояние — многомодовое состояние N00N, включающее несколько фотонов, связанных по определённым траекториям. До этого в распределённых квантовых датчиках использовали одиночные фотоны, которые неплохо повышают точность, но дают слабый результат там, где нужно высокое разрешение. Новый подход решает обе задачи сразу: интерференционные полосы становятся значительно плотнее, и прибор улавливает даже самые ничтожные изменения физических величин.
Учёные создали двухфотонное состояние, запутанное сразу по 4 пространственным путям, и одновременно измерили 2 разных фазовых параметра. Точность превысила показатели обычных методов примерно на 88%, что соответствует улучшению на 2,74 децибела. Это вплотную приближается к теоретическому пределу Гейзенберга — максимуму точности, доступному квантовым технологиям, сообщает издание Physical Review Letters.
«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», — заявил доктор Лим.
Область применения разработки очень широка. В производстве полупроводников она позволит выявлять нанометровые дефекты в чипах, которые сейчас невозможно обнаружить. В биомедицине — получать сверхчёткие изображения живых клеток, не повреждая их, и наблюдать работу отдельных белков и вирусов в реальном времени. В астрономии несколько небольших телескопов, объединённых через такую сеть, смогут работать как один гигантский инструмент — без необходимости строить дорогостоящие сооружения.
Вместе с тем пока речь идёт лишь о лабораторной демонстрации с 2 фотонами. При масштабировании на десятки и сотни фотонов многомодовые N00N-состояния становятся крайне уязвимы к потерям и помехам, и авторы работы не приводят оценок того, насколько устойчивым окажется достигнутое преимущество в реальных условиях. До полного предела Гейзенберга также не хватает примерно 0,26 децибела, и неясно, можно ли этот разрыв преодолеть при дальнейшем масштабировании метода.
