Ερευνητές της Σχολής Φυσικής του University of Warsaw (UW) και του Center for Optical Quantum Technologies στο Center for New Technologies (CeNT UW) ανέπτυξαν μια μέθοδο για εξαιρετικά ευαίσθητη ανίχνευση μικροκυμάτων.
Χρησιμοποιώντας ψυχρά, ισχυρά αλληλεπιδρώντα άτομα Rydberg ως ανιχνευτή μικροκυμάτων, παρατήρησαν ότι οι προσεκτικά σχεδιασμένες αλληλεπιδράσεις ανάμεσα στα άτομα κάνουν την ατομική κατάσταση ανθεκτική στις απώλειες. Ως αποτέλεσμα, η μέτρηση έδωσε τρεις φορές περισσότερη πληροφορία για το υπό μελέτη πεδίο, μετρημένη με την πληροφορία Fisher, σε σύγκριση με μια αντίστοιχη μέτρηση χωρίς αλληλεπιδράσεις. Τα αποτελέσματα δημοσιεύθηκαν στο Nature Communications.
Ατομικοί ανιχνευτές μικροκυμάτων
Η ακριβής ανίχνευση ασθενών μικροκυματικών πεδίων είναι κρίσιμη για την ανάπτυξη των κβαντικών τεχνολογιών, συμπεριλαμβανομένων των μεθόδων επικοινωνίας και της μετρολογίας. Για παράδειγμα, οι σημερινοί κβαντικοί υπολογιστές που βασίζονται σε υπεραγώγιμες επαφές χρησιμοποιούν μικροκυματικά φωτόνια για την αποθήκευση πληροφορίας.
Οι ανιχνευτές με άτομα Rydberg αποτελούν μια πολλά υποσχόμενη κατεύθυνση. Χάρη στην εξαιρετική ευαισθησία τους στα μικροκυματικά πεδία, επιτρέπουν ακριβείς μετρήσεις χωρίς ανάγκη βαθμονόμησης, ενώ το χαμηλό επίπεδο θορύβου τους επιτρέπει ακόμη και την ανίχνευση θερμικής ακτινοβολίας από τη γύρω συσκευή.
Πολύ μεγάλα άτομα
Τα άτομα Rydberg είναι άτομα στα οποία ένα ηλεκτρόνιο, αφού φωτιστεί με προσεκτικά ρυθμισμένα λέιζερ, έχει διεγερθεί σε πολύ υψηλή ενεργειακή κατάσταση, δηλαδή πολύ μακριά από τον πυρήνα. Έτσι τα άτομα γίνονται πολύ μεγάλα, μπορούν να αυξηθούν σε μέγεθος έως και χίλιες φορές σε σχέση με τη θεμελιώδη κατάστασή τους, και γίνονται εξαιρετικά ευαίσθητα στα εξωτερικά ηλεκτρικά πεδία. Λόγω του μεγέθους τους, χαρακτηρίζονται επίσης από ισχυρές αμοιβαίες αλληλεπιδράσεις.
Απώλειες που μπορούν να μετριαστούν
Κάθε πραγματική μέτρηση συνεπάγεται απώλειες. Μέρος της πληροφορίας για την παράμετρο ενδιαφέροντος μπορεί να χαθεί κατά την προετοιμασία της κατάστασης, την εξέλιξή της ή την ίδια τη διαδικασία ανίχνευσης. Σε ένα τυπικό σύστημα, η αύξηση των απωλειών οδηγεί σε μείωση της ακρίβειας. Βασικό στοιχείο της ανακάλυψης ήταν η απροσδόκητη συμπεριφορά των ατόμων υπό την επίδραση των αλληλεπιδράσεων.
Οι ερευνητές του Quantum-Optical Devices Laboratory του CeNT UW (Stanisław Kurzyna, Bartosz Niewelt, Michał Parniak, Wojciech Wasilewski, Mateusz Mazelanik) απέδειξαν ότι οι επιπτώσεις των απωλειών μέτρησης, που θεωρούνταν ανυπέρβλητο εμπόδιο, μπορούν να μετριαστούν σημαντικά με την κατάλληλη προετοιμασία των ατόμων πριν από τη μέτρηση.
Οι απώλειες εξακολουθούν να μειώνουν την ευαισθησία και σε καμία περίπτωση δεν είναι ωφέλιμες, αλλά το προτεινόμενο πρωτόκολλο επιτρέπει την αντιμετώπισή τους. Η αλληλεπίδραση ανάμεσα στα άτομα Rydberg, η οποία είναι η ίδια με απώλειες, μετασχηματίζει την κατάστασή τους έτσι ώστε οι επόμενες απώλειες κατά την ανίχνευση να οδηγούν σε σημαντικά μικρότερη απώλεια πληροφορίας για το μετρούμενο πεδίο.
Σε συνεργασία με τον ειδικό στην εκτίμηση παραμέτρων Rafał Demkowicz-Dobrzański της Σχολής Φυσικής του UW, οι ερευνητές ανέπτυξαν μια θεωρία που εξηγεί αυτή την απροσδόκητη συμπεριφορά. Ο συνδυασμός της θεωρίας με καινοτόμες μεθόδους βελτιστοποίησης του University of Warsaw επέτρεψε την επιβεβαίωση και την ακριβέστερη περιγραφή του φαινομένου.
Πληροφορία για το μετρούμενο πεδίο
Για την αξιολόγηση της ακρίβειας, οι ερευνητές χρησιμοποίησαν το μέγεθος που ονομάζεται πληροφορία Fisher. Προσδιορίζει πόση πληροφορία για την παράμετρο ενδιαφέροντος, εδώ την ένταση του μικροκυματικού πεδίου, μπορεί να ληφθεί με μια συγκεκριμένη μέθοδο μέτρησης. Με απλά λόγια, είναι ένα μέτρο της «οξύτητας» της γνώσης μας για το μετρούμενο μέγεθος: όσο μεγαλύτερη είναι η πληροφορία Fisher, τόσο μικρότερη μπορεί να είναι η αβεβαιότητα στην εκτίμηση της παραμέτρου, κάτι που προκύπτει από έναν θεμελιώδη μαθηματικό περιορισμό γνωστό ως ανισότητα Cramér-Rao.
Στο πείραμα, η μετρημένη πληροφορία Fisher για ένα σύστημα που αξιοποιεί τις αλληλεπιδράσεις των ατόμων Rydberg ήταν τριπλάσια από εκείνη της μέτρησης χωρίς αλληλεπιδράσεις. Το αποτέλεσμα δείχνει ότι οι αλληλεπιδράσεις ανάμεσα στις διεγέρσεις μπορούν να χρησιμοποιηθούν για την αύξηση της πληροφορίας που λαμβάνεται από μια μέτρηση, ακόμη και παρουσία σημαντικών απωλειών.
Προς έξυπνους κβαντικούς αισθητήρες
Τα αποτελέσματα δείχνουν έναν νέο τρόπο αξιοποίησης των αλληλεπιδράσεων ανάμεσα σε άτομα Rydberg στην ανίχνευση μικροκυματικών πεδίων. Ο συνδυασμός υψηλής ευαισθησίας στα ηλεκτρικά πεδία με ελεγχόμενες αλληλεπιδράσεις επιτρέπει την κατασκευή αισθητήρων στους οποίους οι απώλειες μέτρησης περιορίζουν την πληροφορία πολύ λιγότερο απ’ ό,τι στις τυπικές μεθόδους.
Ο αισθητήρας που προκύπτει χρησιμοποιεί τα άτομα Rydberg όχι μόνο για να ανιχνεύει πεδία, αλλά και για να επεξεργάζεται πληροφορία. Αποτελεί έτσι σημαντικό βήμα προς μια νέα γενιά έξυπνων κβαντικών αισθητήρων, ικανών να επεξεργάζονται πληροφορία. Τελικά, τέτοιες συσκευές θα μπορούσαν να αξιοποιήσουν τις δυνατότητες του κβαντικού υπολογισμού για να επιτύχουν πρωτοφανή ευαισθησία.
