Введение

Применение квантовой запутанности к высокоточным измерениям

Квантовая метрология – это изучение возможности получения измерений с высоким разрешением и высокой чувствительностью физических параметров с использованием квантовой теории для описания физических систем, в частности, за счет использования квантовой запутанности и квантового сжатия. Эта область обещает разработку методов измерений, обеспечивающих более высокую точность, чем при выполнении того же измерения в классической схеме. Наряду с квантовым тестированием гипотез, она представляет собой важную теоретическую основу квантового зондирования.

Примеры

Одним примером является использование состояния NOON в интерферометре Маха — Цендера для выполнения точных измерений фазы. Аналогичный эффект можно получить, используя менее экзотические состояния, такие как сжатые состояния. В протоколах квантовой подсветки широко изучаются двухмодовые сжатые состояния для преодоления предела, достижимого классическими состояниями, представленными когерентными состояниями. В атомных ансамблях спин-сжатые состояния могут использоваться для измерений фазы.

Приложения

Важным применением, заслуживающим особого внимания, является обнаружение гравитационного излучения в проектах, таких как LIGO или интерферометр Virgo, где требуются высокоточные измерения относительного расстояния между двумя сильно удаленными массами. Однако методы измерений, описываемые квантовой метрологией, в настоящее время не применяются в этой области из-за сложности их реализации. Более того, существуют и другие источники шума, влияющие на обнаружение гравитационных волн, которые необходимо сначала устранить. Тем не менее, в будущем возможно использование квантовой метрологии в LIGO.

Связь с квантовой информатикой

Существуют тесные связи между квантовой метрологией и квантовой информатикой. Показано, что квантовая запутанность необходима для достижения результатов, превосходящих классическую интерферометрию в магнитометрии с полностью поляризованным ансамблем спинов. Доказано, что подобная зависимость в целом справедлива для любого линейного интерферометра, независимо от конкретной реализации. Более того, для достижения всё большей точности в оценке параметров требуются всё более высокие уровни многочастичной запутанности. Кроме того, запутанность по нескольким степеням свободы квантовых систем (известная как "гиперзапутанность") может быть использована для повышения точности, причем улучшение обусловлено запутанностью в каждой степени свободы.