Квантовый магнитометр: как «обученные» кубиты будут искать руду и лечить людей

В природе существуют фундаментальные ограничения на точность измерений. Представьте рентгеновский снимок: он часто размыт, и только опытный врач может правильно его интерпретировать. Контраст между тканями можно улучшить, увеличив время экспозиции или мощность излучения, но человек не может бесконечно подвергаться облучению. Эта дилемма знакома ученым во всех областях — от медицины до астрофизики. Теперь международная команда исследователей нашла способ если не отменить, то искусно обойти эти ограничения.

Как обмануть квантовый предел

Характерным ограничением для любых классических приборов является стандартный квантовый предел: точность измерения обратно пропорциональна квадратному корню из использованных ресурсов. Чтобы повысить точность в 10 раз, нужно потратить в 100 раз больше времени или энергии.

Ведущий научный сотрудник лаборатории физики квантовых информационных технологий МФТИ Андрей Лебедев поясняет, что измерять магнитные поля приходится в самых разных областях — от исследования человеческого мозга до наблюдения вспышек сверхновых, и хотелось бы делать это максимально точно. Новая разработка позволяет измерять магнитные поля с точностью, превышающей стандартный квантовый предел.

Искусственный атом на страже точности

В основе прибора лежит сверхпроводящий «искусственный атом» — миниатюрное устройство из перекрывающихся тонких пленок алюминия на кремниевом чипе. При охлаждении до сверхнизких температур (около 0,02 градуса выше абсолютного нуля) ток в нем течет без сопротивления и начинает проявлять квантово-механические свойства.

При облучении микроволнами квантовое состояние этого искусственного атома начинает меняться, причем характер изменений зависит от величины внешнего магнитного поля. Измеряя состояние кубита, можно вычислить силу поля.

Машинное обучение приходит на помощь

Но главный трюк заключается в другом. Чтобы преодолеть стандартный квантовый предел, исследователи применили методы машинного обучения. Они разработали адаптивную технику измерения: сначала проводится измерение с заданной задержкой между управляющими импульсами, а затем алгоритм распознавания образов решает, как изменить эту задержку на следующем шаге для достижения наилучшей точности.

Суть обучения в том, что процедура многократно повторялась в контролируемых условиях, создавая своего рода «паспорт» прибора, учитывающий все его индивидуальные особенности. Это позволяет подбирать оптимальные параметры для каждого конкретного измерения.

Где это пригодится

Пока прототип работает только при экстремально низких температурах, но инженеры работают над повышением рабочей температуры до уровня, когда можно будет использовать жидкий гелий. В перспективе такие магнитометры смогут:

· Делать томографию мозга с беспрецедентной точностью при минимальных дозах облучения · Разведывать месторождения железной руды и других полезных ископаемых · Наблюдать далекие астрономические объекты, недоступные классическим приборам · Работать как сверхчувствительные радары

Авторы исследования благодарят Министерство образования и науки РФ и РФФИ за оказанную финансовую поддержку.

Ранее сообщалось, что уфимские ученые нашли способ точно определять, где в скважине нефть, а где вода.