Исследователи Южно-Уральского государственного университета предложили новый алгоритм сверхточной оценки неизвестной фазы, что можно оценить, как действительно значимый шаг вперед в развитии оптической квантовой метрологии.
В рамках реализации в ЮУрГУ грантовой программы Виктора Борисовича Христенко ?Шаг в будущее?, Сергей Анатольевич и Михаил Сергеевич Подошведовы представили новый протокол по созданию неклассического света, который может очень точно измерять неизвестные параметры.
Суть открытия – в разработке алгоритма, позволяющего с рекордной точностью измерить изначально неизвестную разность фаз, которую приобретает световая волна, взаимодействуя с различными средами. Это критически важно для измерения широкого спектра физических параметров: от температуры и давления до электрических и магнитных полей.
?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 сгенированное 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! Мы создали свет, померили 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?, – поясняет автор исследования, зам. 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.
Напомним, что квантовая граница Крамера-Рао – это теоретический предел, определяющий минимально возможную ошибку при измерении параметров квантовой системы. Достижение этой границы означает, что точнее измерить параметр в принципе невозможно. Предложенный учеными ЮУрГУ метод позволяет приблизиться к этому пределу, используя неклассические состояния света, полученные из сжатых вакуумных состояний.
Новая методика может найти применение в таких областях, как навигация (улучшение работы гироскопов), микроэлектроника, сверхточном оценивании неизвестных параметров (смещение, температура, давление, электрическое и магнитные поля) и, конечно, в широком спектре направлений фундаментальных исследований науки. Наиболее ярким примером является проект LIGO (лазерно-интерферометрическая гравитационно-волновая обсерватория), где подобные методы используются для обнаружения гравитационных волн – едва уловимых колебаний пространства-времени.
Хотя теоретическая база уже разработана и математически доказана, впереди еще экспериментальная реализация. В планах исследователей – расширение диапазона рабочих фаз и адаптация метода к условиям с потерями фотонов, что сделает технологию еще более устойчивой и практичной.
Проект реализуется в рамках Грантовой программы В.Б. Христенко ?Шаг в будущее?. Это программа ежегодной финансовой поддержки программы развития Университета в рамках ?Приоритет-2030?. Гранты предоставляются на проведение перспективных исследований, формирование кадрового резерва и реализацию уникальных образовательных программ (компонентов), определяющих вектор развития ЮУрГУ и Челябинской области.