Naukowcy z Wydziału Fizyki Uniwersytetu Warszawskiego oraz z Centrum Optycznych Technologii Kwantowych przy Centrum Nowych Technologii UW opracowali metodę ultraczułej detekcji mikrofal. Wyniki ich badań zostały opublikowane w czasopiśmie „Nature Communications”.
Precyzyjna detekcja słabych pól mikrofalowych ma znaczenie dla rozwoju technologii kwantowych, w tym metod komunikacji oraz metrologii. Przykładowo, obecne komputery kwantowe bazujące na złączach nadprzewodzących wykorzystują fotony mikrofalowe do przechowywania informacji. To właśnie detektory oparte na atomach rydbergowskich stanowią obiecujący kierunek rozwoju technologii detekcji elektromagnetycznej. Dzięki ich niezwykłej czułości na pola mikrofalowe, takie detektory umożliwiają precyzyjny pomiar bez konieczności kalibracji urządzenia. Jednocześnie niski szum pozwala nawet na detekcję promieniowania termicznego otaczającej układ aparatury.
Bardzo duże atomy
Atomy rydbergowskie (nazwane na cześć szwedzkiego uczonego Johannesa Rydberga) to atomy, których jeden elektron po oświetleniu odpowiednio dostrojonymi laserami został wzbudzony do stanu o bardzo wysokiej energii, czyli znalazł się na powłoce elektronowej bardzo oddalonej od jądra (w języku fizyki: o bardzo wysokiej głównej liczbie kwantowej). W ten sposób atomy te stają się bardzo duże (mogą zwiększyć swój rozmiar nawet tysiąckrotnie względem stanu podstawowego), co czyni je niezwykle czułymi na zewnętrzne pola elektryczne. Jednocześnie cechą tych atomów, ze względu na swoje rozmiary, jest silne oddziaływanie pomiędzy wzbudzeniami, podobne jak u dużych molekuł gazu.
Każdy rzeczywisty pomiar wiąże się ze stratami. Część informacji o poszukiwanym parametrze zawartej w badanym sygnale może zostać utracona podczas przygotowania stanu, jego ewolucji lub samej detekcji. W typowym układzie wzrost strat prowadzi więc do zmniejszenia precyzji pomiaru. Kluczowym elementem odkrycia warszawskich naukowców okazało się zaskakujące zachowanie atomów pod wpływem oddziaływań. Badacze z Laboratorium Urządzeń Kwantowo-Optycznych w Centrum Optycznych Technologii Kwantowych CeNT UW (większość z nich jest jednocześnie związana z Wydziałem Fizyki UW), pod kierunkiem dr. hab. Michała Parniaka, pokazali, że skutki strat pomiarowych – dotychczas uznawanych za barierę trudną do pokonania – można w dużej mierze zniwelować, odpowiednio przygotowując atomy przed pomiarem.
Straty niezmiennie obniżają czułość i w żadnym wypadku nie są korzystne – jednak zaproponowany protokół pozwala im zaradzić. Okazuje się, że oddziaływanie pomiędzy atomami rydbergowskimi, które samo ma charakter stratny, przekształca ich stan tak, że późniejsze straty przy detekcji odbierają znacznie mniej informacji o mierzonym polu. We współpracy z ekspertem w dziedzinie estymacji z Wydziału Fizyki UW, prof. Rafałem Demkowiczem-Dobrzańskim, powstała teoria wyjaśniająca to zaskakujące zachowanie. Połączenie jej z nowatorskimi metodami optymalizacji rozwiniętymi na Uniwersytecie Warszawskim pozwoliło potwierdzić i dokładniej opisać obserwowany efekt.
Informacja o mierzonym polu
Aby ocenić, jak dobry jest pomiar, naukowcy posłużyli się wielkością zwaną informacją Fishera. Pozwala ona określić, ile informacji o szukanym parametrze, w tym przypadku o sile pola mikrofalowego, można uzyskać dla określonego sposobu pomiaru. Mówiąc obrazowo, jest to miara „ostrości” wiedzy o mierzonej wielkości: im większa informacja Fishera, tym mniejsza może być niepewność estymacji tego parametru, co wynika z fundamentalnego ograniczenia matematycznego, tzw. nierówności Craméra-Rao.
W eksperymencie zmierzona informacja Fishera dla układu wykorzystującego oddziaływania atomów rydbergowskich była trzykrotnie większa niż w odpowiadającym pomiarze bez oddziaływań. Wynik ten pokazuje, że oddziaływania pomiędzy wzbudzeniami mogą zostać wykorzystane do zwiększenia ilości informacji uzyskiwanej z pomiaru nawet w obecności znacznych strat.
Uzyskane wyniki pokazują nowy sposób wykorzystania oddziaływań między atomami rydbergowskimi w detekcji pól mikrofalowych. Połączenie dużej czułości na pola elektryczne z kontrolowanymi oddziaływaniami między atomami pozwala budować czujniki, w których straty pomiarowe ograniczają informację znacznie słabiej niż w typowych metodach. Powstały sensor używa atomów rydbergowskich, aby wykrywać pole, ale też aby przetwarzać informacje. Stanowi więc ważny krok w stronę nowej generacji inteligentnych sensorów kwantowych, które przetwarzają informację. Urządzenia tego typu będą mogły wykorzystać możliwości komputerów kwantowych w celu uzyskania maksymalnej czułości.
Wyniki badań fizyków z Uniwersytetu Warszawskiego ukazały się na łamach „Nature Communications”.
MK, źródło: FUW