ハイゼンベルクの不確定性原理は、物理学に少しでも興味のある人なら、ほとんど誰もが耳にしたことがあるでしょう。その最も有名な仮定は、粒子の運動量と位置の両方を同時に知ることの基本的な不確かさに関するものです。不確かさの積には下限があり、一方の値の測定精度を向上させると、もう一方の値の精度は一般的に低下します。量子限界に近づくことさえ困難ですが、世界中の研究者は量子限界に達するまで測定技術を向上させようとしています。この基本的な問題に対する研究が、量子計測の分野を生み出したのです。
1つのチーム 上海交通大学 最近出版された作品 ネイチャー·コミュニケーションズ 量子計測分野における彼らの驚異的な進歩について詳しく説明します。研究を加速するために、グループのメンバーは以下を使用しています。 Moku:Labは、15 を超えるソフトウェア定義の計測器を提供する FPGA ベースのテストおよび測定デバイスです。を活用して スペクトラムアナライザ の三脚と ロックインアンプ 研究チームは、量子力学によって課せられる基本的な制限を緩和し、複数パラメータ推定の精度を向上させる、賢明な新しい方法を発見しました。
課題
量子計測は、量子力学の概念、特に重ね合わせとエンタングルメントを利用し、古典的限界を超えた計測精度を向上させる物理学の研究分野です。量子計測の基礎となるのは、量子パラメータ推定（QPE）の概念です。
QPEプロセスの詳細は図１に示されています。プローブ状態として知られる初期量子状態は、パラメータ化された状態と呼ばれる最終状態に進化します。 状態の進化に寄与する要因 (パラメーター) に関する情報は、パラメーター化された状態を測定することで推定できます。 測定値を慎重に選択することで、研究者は、量子クラマーラオ (QCR) 限界と呼ばれる、許容される最大精度で１つ以上のパラメーターを推定できます。 ただし、推定されたパラメータに互換性がない、または非可換である場合、測定にはさらに厳しい制限が課され、関係するすべてのパラメータの QCR 限界を達成することができません。 互換性のないパラメータの最もよく知られた組み合わせは位置と運動量であるため、プローブの状態が位置と運動量の両方のシフトを受ける場合、パラメータの値を両方とも最適な精度で決定することはできません。
図 1: 量子パラメータ推定測定シーケンス。出版物より転載1.
ソリューション
Guihua Zeng教授の研究チームは、基本的な基礎となる物理学はこれまでと同様に堅固であるものの、プローブの状態を操作することで制限を緩和できることを発見しました。まずチームは、水平 (H) 偏光と垂直 (V) 偏光を古典的な０と１の状態として、レーザー ビームの重ね合わせ状態を使用してプローブを作成しました。次に、図 2 に示すように、プローブの状態をマッハツェンダー干渉計 (MZI) に送信しました。
図2: チームの実験で使用されたマッハツェンダー干渉計。 Moku:Lab スペクトラムアナライザとロックインアンプの機器が示されている。出版物より転載1.
MZI は、偏光ビーム スプリッター (PBS) を使用して信号を２つのパスに分割し、後で別のビーム スプリッターを通じて再結合します。 再結合すると、２つのビームは相対位相に応じて建設的または破壊的に干渉します。 次に、信号は２つの光検出器 (PD) によって収集されます。 そこから、研究者はビーム経路間の違いを推測できます。 研究チームは、MZI の一方のアームに圧電デバイスを配置し、ビームに小さな変位と角回転を与え、位置と運動量の両方に「キック」を与えました。 これらのパラメータの大きさは、通常、最終状態を測定し、それを初期プローブ状態と比較することによって個別に決定できます。 ただし、位置と運動量は互換性のないパラメータであるため、両方を最適な精度で同時に測定することはできません。
チームが考え出した回避策は、従来のガウス・レーザー・ビーム・プロファイルから脱却することでした。 研究チームは、プローブの状態として高次のエルミート・ガウス (HG) レーザー ビーム プロファイルを使用することは、圧電デバイスがシステムに運動量と位置キックのより大きな変動を与え、互換性のないパラメーターをより正確に推定できることを意味することを発見しました。 図３に見られるように、ビームのモードの数を増やすと、それらを量子限界に近づけることができました。
図 3: 複数パラメータ推定。測定された運動量 (y 軸) 対位置 (x 軸) の分散のプロット。点線は、パラメーターを最小限の精度で測定できる理想的なシナリオに対応する。エルミート・ガウス・ビームのモード数を増やすと、実験結果 (黄色の点) が量子限界 (赤い点) に近づく。出版物より転載1.
グループの取り組みの一環として、Ph.D.学生の Binke Xia は Moku:Lab を活用しました スペクトラムアナライザ の三脚と ロックインアンプ 測定チェーン内の機器。ロックインアンプは、ブランチ間の経路差を測定することで干渉計の校正を支援します。フォトダイオードが復調された干渉計信号を収集して Moku:Lab に渡した後、スペクトラム アナライザーは信号対雑音比 (SNR) のリアルタイム分析を実行します。 SNR の大きさは、ビームの位置と運動量のシフトのサイズに関係します。
「SNR のリアルタイム計算は非常に重要でした。」と Xiaさんは述べています。 「これにより、時間に敏感な測定が可能になりました。」
結果
ハイゼンベルクの不確定性原理の原則を完全に覆すことはできませんが、それと量子多パラメータ推定との関係では進歩が見られました。研究チームは、高次のエルミート・ガウス状態をプローブとして活用することで、光の空間変位と角度傾斜をそれぞれ1.45 nmと4.08 nradまでの驚くべき精度で同時に推定することに成功しました。
チームは、これらの測定をさらに改善するために、Moku デバイスの将来を模索しています。最近、Xia はグループの新しい機能の実装を検討しています。 Moku:Pro カスタム アルゴリズムの開発など、彼の実験に取り入れられました。 Mokuクラウドコンパイル。彼もまた利用することを楽しみにしています レーザーロックボックス 量子計測の分野全体にとって有用なツールになる可能性があると述べています。
図 4. 光学テーブル上の QPE 測定セットアップに統合された Moku:Pro (上部ラックに配置)。写真提供：上海交通大学
「これは、光キャビティのロックやその他の正確な測定など、進行中の実験に役立ちます」とXiaさんは述べています。 「特に Moku:Pro に導入して、複数のレーザーキャビティを同時にロックできるようにしたいと考えています。」
詳細については、Nature Communicationsに掲載されたチームの記事をお読みください。
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脚注
[1] B. Xia, J. Huang, H.Li, H. Wang, G. Zeng, Nat. Commun. 14, 1021, (2023).
