Forscher entwickeln neuartigen Rahmen für hochsensible Quantensensoren

BerlinWissenschaftler der North Carolina State University und des MIT haben eine innovative Methode zur Herstellung hoch empfindlicher Quanten-Sensoren entwickelt. Mit dieser Methode können sie Quantensysteme so einstellen, dass spezifische Signale erkannt werden. Dadurch sind diese Quanten-Sensoren wesentlich leistungsfähiger als herkömmliche Sensoren.

Quanten-Sensoren könnten theoretisch auf dem höchstmöglichen Niveau arbeiten, das durch die Quantenmechanik erlaubt ist. Allerdings ist es schwierig, sie so zu lenken, dass sie spezifische Signale erkennen. Yuan Liu, Assistenzprofessor an der NC State, erklärt, dass seine Idee aus klassischen Signalverarbeitungstechniken stammt. Liu und sein Team haben eine Methode gefunden, diese Techniken auf Quanten-Systeme anzuwenden.

Die Forscher entwickelten ein algorithmisches Framework, das:

• Ein Qubit mit einem bosonischen Oszillator koppelt
• Interferometrie nutzt, um die Ergebnisse im Qubit-Zustand zu kodieren
• Das Qubit für eine einmalige Auslesung misst

In der herkömmlichen Informatik werden Informationen in Bits gespeichert, die entweder 0 oder 1 sind. In der Quantencomputing hingegen können Qubits gleichzeitig 0 und 1 sein. Ein bosonischer Oszillator ist ein noch komplexeres System, das eine unbegrenzte Anzahl an Zuständen haben kann. Die Kontrolle über den Zustand dieses Oszillators ist äußerst anspruchsvoll.

Das Team vereinfacht die Aufgabe, indem es sich auf Ja-Nein-Fragen konzentriert, anstatt Mengen zu ermitteln. „Anstatt Mengen für unsere Ziele festzulegen, fragen wir einfach, ob das Ziel Eigenschaft X hat“, erklärt Liu. Durch die Verbindung des komplexen Sensors mit einem einfachen zweidimensionalen Qubit können sie den Sensor so anpassen, dass er das gewünschte Signal erkennt.

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Der Sensor nutzt polynomiale Funktionen, um die Wellenfunktion des Oszillators zu steuern, wodurch er ein spezifisches Signal erkennen kann. Sobald das Signal erfasst wird, endet die Manipulation, was zu Veränderungen führt, die ein lesbares Ergebnis im Zustand des Qubits erzeugen. Dieses Ergebnis liefert eine eindeutige "Ja" oder "Nein" Antwort auf die Anwesenheit des Signals und erfordert nur eine einzige Messung des Qubits.

Diese Methode nutzt die derzeit verfügbare Quanten-Hardware optimal, wie:

• Gefangene Ionen
• Supraleitende Plattformen
• Neutrale Atome

Die Methode ermöglicht es, Informationen aus einem komplexen System effektiv zu sammeln, ohne dass mehrere Messungen erforderlich sind.

Diese Entwicklung macht quantenbasierte Sensorik für den praktischen Einsatz wesentlich nützlicher. Es ist klug und pragmatisch, klassische Methoden in quantenphysikalischen Aufgaben anzuwenden. Besonders wertvoll ist die effiziente Einmalmessung, da sie Zeit und Ressourcen spart. Diese Innovation kann den Fortschritt in Bereichen wie Materialwissenschaften, Medizin und Kommunikation beschleunigen, wo präzise Messungen von großer Bedeutung sind.

Die in "Quantum" veröffentlichte Forschung wurde vom Army Research Office und dem US-Energieministerium finanziert. Sie könnte helfen, flexible Methoden der Quantensensorik zu entwickeln, die mit verschiedenen Arten von Quanten-Sensoren funktionieren.