Новый метод позволяет быстро и точно измерять квантовые состояния

Ядерная магнитно-резонансная томография широко применяется в медицине. Исследуемый пациент поглощает и повторно излучает электромагнитное излучение во всех направлениях, которое детектируется и реконструируется в виде 3D изображения или 2D-срезов изображения. В фундаментальных научных исследованиях, томография квантовых состояний представляет собой процесс, полностью характеризующий квантовое состояние объекта, получаемое за счет испускания его источником, до того момента, когда происходит его измерение или взаимодействие с окружающей средой.

Эта техника стала важным инструментом в новой области квантовых технологий. Теоретические основы томографии квантовых состояний еще были заложены в 1970-е годы. Их экспериментальные варианты реализаций в настоящее время обычно проводят в самых различных квантовых системах. Основной принцип томографии квантовых состояний заключен в многократном выполнении измерений в различных пространственных направлениях, относительно квантовых систем, для того, чтобы однозначно идентифицировать квантовое состояние системы. Это требует большое количество постобработки измеренных данных для того чтобы инициализировать квантовое состояние с помощью полученных измерений.

В 2011 году уже был найден способ для прямого метода томографии квантовых состояний, однозначно определяющего квантовое состояние без необходимости постобработки измеренных данных. Тем не менее у такого подхода имелся существенный недостаток: он использовал минимально слабые измерения, так называемые слабые измерения, для определения квантового состояния. Основная идея слабых измерений состоит в том, чтобы получить маленькую часть информации о наблюдаемой системе, сохраняя при этом низкую вероятность нарушения процесса измерений. Обычно, проведение самого измерения над квантовой системой, оказывает на нее огромное влияние, вызывая при этом сами квантовые явления, такие как квантовая запутанность или заставляя исчезнуть безвозвратно интерференцию.

Так как количество информации, полученной с помощью этой процедуры достаточно мало, то измерения должны быть повторены несколько раз – это огромный недостаток такого метода в практических приложениях. Исследовательская группа в Институте атомной и субатомной физики ТУ Вены, которую возглавил Стефан Спонар сумел совместить эти два метода. "Мы смогли усовершенствовать установленный метод так, что потребность в слабых измерениях уже устаревает. Таким образом, мы смогли интегрировать обычные, так называемые сильные измерения, в прямую процедуру измерений квантовых состояний. Следовательно, становится возможным определение квантового состояния с более высокой точностью и аккуратностью в течение меньшего времени по сравнению с подходом, где используются слабые измерения, которые обычно раньше использовались", объясняет Тобиас Денкмайер, первый автор этой статьи. Эти результаты уже были опубликованы в журнале Physical Review Letters.

Нейтронная интерферометрия - новый подход

Экспериментальная проверка нового метода с использованием нейтронной интерферометрии проводили Спонар и его команда. Он основан на волновой природе нейтронов, которые являются массивными компонентами ядра, образующие в свою очередь, почти две трети Вселенной. Тем не менее, если они изолированы от атомного ядра, например, в процессе деления внутри ядерного реактора, то они ведут себя как волны. Это явление обычно называют корпускулярно-волновым дуализмом, что объясняется в рамках квантовой механики. Внутри интерферометра падающий пучок разделяется на два отдельных пучка с помощью тонкой и очищенной кремниевой пластины. Лучи проходят по разным путям в пространстве, и в какой-то момент воссоединяются и интерферируют. Эксперимент был проведен на источнике нейтронов в Институте Лауэ-Ланжевена (ILL) в Гренобле.

Важно отметить, что результаты не ограничиваются квантовыми системами, образованными отдельными нейтронами, но, фактически являются самодостаточными. Таким образом, они могут быть применены ко многим другим квантовым системам, такие как фотоны, захваченные ионами или сверхпроводящие кубиты. Результаты могут иметь большое влияние на то, как будет происходить оценка квантовых состояний, и может быть использована в быстро развивающихся технологиях, применяемых в квантовой информатике.

Пояснение к изображениям:

На первом изображении показана схема интерференционной установки.

На втором изображении показана Тройная Лауэ (LLL) - нейтронный интерферометр (*ТУ Вены).

На третьем изображении (FIG. 1.) нарисовано схематическое изображение установки нейтронного интерферометра для реализации спиновой поляризации.

На четвертом изображении (FIG. 2.) показаны полученные интерференционные полосы в результате проведения слабых измерений (угол alpha = 15 град) на левой стороне, а результаты сильных измерений (при угле alpha = 90 град) на правой стороне. Анализ направлений спинов +/- x, +/- y, и +/- z, показан вверху, в середине и внизу соответственно. Сплошные и пунктирные линии показывают наименьшие сглаженные значения квадратов для положительных + и отрицательных – направлений. Столбики ошибок показывают одно значение стандартного отклонения. Фон уже был удален из всех интерферограмм, соответственно.

На пятом изображении (FIG. 3.) показаны результаты измерений для определения направлений вектора состояний для обеих случаев, слабого измерения (угол alpha = 15 град) и сильного (угол alpha = 90 град). Столбики ошибок показывают стандартное отклонение. Сплошные линии указывают на значения для теоретических предсказаний.

Источник:

http://phys.org/news/2017-01-method-quick-precise-quantum-states.html

Источник: phys.org

Комментарии: