Исследователи из Южно-Уральского государственного университета (ЮУрГУ) Сергей и Михаил Подошведовы подошли к пределу точности измерений. Они предложили новый алгоритм сверхточной оценки неизвестной фазы — это можно считать прорывом в развитии оптической квантовой метрологии. Представленный учеными протокол создания неклассического света позволяет измерять параметры среды.
Результаты работы опубликованы в международном журнале Optics Express (Q1).
Суть открытия — в том, чтобы измерить изначально неизвестную разность фаз световой волны, которую она приобретает после взаимодействия со средой. Для этого ученые создают неклассический свет без запутанных состояний и по его интенсивности вычисляют искомый параметр. Это важно для широкого спектра физических величин: от температуры и давления до электрических и магнитных полей.
Квантовая граница Крамера — Рао — это теоретический предел, который задает минимально возможную ошибку при измерении параметров квантовой системы. Достижение этой границы означает, что точнее измерить уже невозможно. Метод ученых ЮУрГУ позволяет приблизиться к этому пределу, используя неклассические состояния света, полученные из сжатых вакуумных состояний.
Подробности исследования рассказал один из авторов — заместитель заведующего лабораторией «Квантовая инженерия света», старший научный сотрудник лаборатории квантовой обработки информации и квантовых вычислений, профессор кафедры «Физика наноразмерных систем», доктор физико-математических наук Сергей Подошведов.
«Ключевая особенность нашей работы — в отказе от сложных и нестабильных запутанных состояний в пользу более простых, но эффективных методов. Отличие нового подхода в том, что мы стартуем со сжатого состояния, вычитаем фотоны и получаем требуемое неклассическое состояние, которое дополнительно параметризуется, то есть неизвестная фаза накладывается на сгенерированное состояние. Затем мы измеряем интенсивность неклассического света. Новшество заключается в том, что мы получаем предельную точность в случае прямого измерения интенсивности. Это то, чего еще никто не делал! — подчеркнул ученый. — Мы создали свет, измерили его интенсивность, и в результате этой интенсивности оценили неизвестное значение фазы. Смысл всей работы — подойти как можно ближе к квантовой границе Крамера — Рао, фундаментальному пределу точности измерений. В нашей работе мы это продемонстрировали».
Новая методика может пригодиться в навигации (улучшить работу гироскопов), микроэлектронике, при сверхточном оценивании неизвестных параметров (смещения, температуры, давления, электрического и магнитных полей) и в фундаментальных исследованиях. Самый яркий пример — проект LIGO (лазерно-интерферометрическая гравитационно-волновая обсерватория), где подобные методы применяют для обнаружения гравитационных волн — едва уловимых колебаний пространства-времени.
Ученые ЮУрГУ отмечают: теоретическая база уже готова и математически доказана, впереди эксперимент. Исследователи планируют расширить диапазон рабочих фаз и адаптировать метод к условиям с потерями фотонов, что сделает технологию еще более практичной и устойчивой.
Проект реализуется в рамках программы Минобрнауки России «Приоритет-2030» (нацпроект «Молодежь и дети»).
Фото: ЮУрГУ/Сергей Качко
