Физики «усмирили» квантовый шум, чтобы лучше услышать Вселенную и не только
Физики из Копенгагена разработали новую систему зондирования, которая улавливает мельчайшие изменения в разной среде — от признаков слияния черных дыр в миллионах световых лет от Земли до слабых изменений в теле человека. Устройство размером с обеденный стол, но его чувствительность выходит за пределы того, что считалось возможным. Технологию можно применять в диагностике, обеспечении безопасности, астрофизике и даже квантовых коммуникациях.
Ученые из Института Нильса Бора Копенгагенского университета представили новую квантовую систему зондирования, которая может применяться в самых разных областях: от медицины до космонавтики. Работу опубликовали в журнале Nature. Главное преимущество системы заключается в компактности. В отличие от громоздких установок вроде обсерватории LIGO, которые требуют сотни метров оптических резонаторов, новое устройство помещается на обычном лабораторном столе.
Оптическое зондирование — это процесс измерения параметров среды с помощью видимого и инфракрасного излучения. Сейчас его используют повсеместно. Например, в офтальмологии применяют оптическую когерентную томографию для изучения сетчатки глаз. Чем точнее зондирование, тем больше информации можно получить. Квантовая оптика добилась такого прогресса, что столкнулась с физическим пределом точности — так называемым стандартным квантовым пределом. Он связан с тем, что любое измерение вносит шум: либо наблюдатель сам нарушает систему, либо не может точно считать сигнал.
Чтобы преодолеть эти шумы, физики используют разные квантовые методы. Один из них — сжатый свет, специальным образом «сплюснутая» световая волна, у которой снижен шум в определенной части сигнала. Другой — запутанность, при которой два луча света связаны настолько, что изменение одного влияет на другой.
Команда из Копенгагена решила объединить крупномасштабную запутанность фотонов и атомов. В новой системе используются два запутанных пучка света, а также ансамбль атомных спинов. Это дает возможность инвертировать шум и, если все сделано правильно, просто «вычесть» его из сигнала.
Главное техническое новшество — частотно-зависимое сжатие света. Раньше это требовало громоздких и сложных конструкций длиной в сотни метров. Теперь ту же функцию выполняет настольная установка. Свет пропускается через спиновый ансамбль, где его фаза — ключевой параметр — поворачивается по-разному на разных частотах. В результате шум снижается сразу в нескольких диапазонах.
Такой подход позволяет одновременно бороться как с шумом обратного действия (помехами от самого измерения), так и с шумом обнаружения (искажениями в полученном сигнале).
Потенциал применения системы очень широкий. В медицине ее можно встроить в МРТ-сканеры, чтобы повысить их точность и чувствительность. Это поможет раньше диагностировать нейродегенеративные болезни, выявлять воспаления или отслеживать состояние тканей. Также можно создать более чувствительные биосенсоры, которые будут улавливать изменения в составе крови или дыхания.
В физике система пригодится для работы гравитационных детекторов. Обсерватория LIGO в США и детектор VIRGO в Италии используют массивные установки, чтобы улавливать малейшие колебания пространства-времени — сигналы от слияния черных дыр или нейтронных звезд. Новая технология позволяет добиться такой же чувствительности, но без масштабного оборудования. Это особенно актуально для будущих проектов вроде европейского телескопа «Эйнштейн», где планируют использовать установки длиной в километры.
По словам руководителя исследования профессора Юджина Ползика, новая система также может стать платформой для квантовой связи. Ее можно использовать в квантовых сетях, где требуется передача сигнала без потерь, или как квантовую память. Такие системы лежат в основе защищенной связи и будущих квантовых компьютеров.
Технология все еще проходит стадию проверки. Однако результаты уже показывают, что квантовые методы можно не только описывать в теории, но и успешно внедрять в компактные устройства.
Самое популярное
