新しい量子センシング設計フレームワークが感度と精度を向上させる方法を紹介

Tokyoノースカロライナ州立大学とMITの科学者たちは、新しい方法で非常に高感度な量子センサーを開発しました。この方法により、量子システムを調整して特定の信号を検出することが可能になります。その結果、これらの量子センサーは従来のセンサーよりもはるかに効果的です。

量子センサーは量子力学が許す最高レベルで動作することができますが、特定の信号を検出するためにそれらを導くのは困難です。ノースカロライナ州立大学の助教授であるユアン・リウは、彼らのアイデアが古典的な信号処理技術から生まれたと述べています。リウと彼のチームは、これらの技術を量子システムに応用する方法を見つけました。

研究者たちは次のようなアルゴリズムのフレームワークを開発しました：

• 量子ビットをボソニック振動子と結合させる
• 干渉計を使用して、結果を量子ビットの状態にエンコードする
• 単一ショットでの読み出しのために量子ビットを測定する

通常のコンピュータでは、情報は0か1のビットとして保存されます。量子コンピュータでは、量子ビット（キュービット）は0と1の両方の状態を同時にとることができます。一方、ボソニックオシレーターは、無限の状態を持つことができるより複雑なシステムです。このオシレーターの状態を制御することは非常に難しいです。

そのチームは課題を簡単にするために、量を求めるのではなく、はい・いいえで答えられる質問に焦点を当てています。「目標のための量を求める代わりに、目標が特定の性質Xを持っているかどうかを尋ねるだけです」とリウさんは言います。複雑なセンサーを単純な二次元キュービットに接続することで、望む信号を検出するようにセンサーを調整できます。

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センサーは、多項式関数を使用して振動子の波の動きを制御し、特定の信号を検出できるようにします。信号が検出されると、その操作は停止し、結果的に量子ビットの状態に変化が生じ、読み取り可能な結果が得られます。この結果は、信号の存在について明確な「はい」または「いいえ」の答えを示し、量子ビットの測定は一度だけで済みます。

この方法は、簡単に入手可能な量子ハードウェアを活用しています。例えば、次のようなものがあります。

• イオントラップ
• 超伝導プラットフォーム
• 中性原子

この方法は、多数の測定を行わずに、複雑なシステムから効率的に情報を収集することを可能にします。

この進展は、量子センシングを現実世界でより役立たせるものだと思います。量子タスクに古典的な方法を取り入れることは、賢明で実用的です。特に効率的な一度きりの測定は、時間とリソースを節約するため非常に有益です。この革新により、物質科学、医療、通信のように正確なセンシングが非常に重要な分野での進展が加速されることでしょう。

「Quantum」に掲載されたこの研究は、陸軍研究局と米国エネルギー省によって資金提供されました。これは、異なる種類の量子センサーと互換性のある柔軟な量子センシング手法の開発に役立つ可能性があります。