מהפכת החישה הקוונטית: אטומים ברשת לדיוק אולטימטיבי

הדגמה מוצלחת של ביטול רעשים באמצעות ספקטרוסקופיה של מתאם.

המערכות הקוונטיות המשמשות בטכנולוגיות קוונטיות, למשל, אטומים בודדים, הן גם רגישות מאוד: כל אינטראקציה עם הסביבה יכולה לגרום לשינויים במערכת הקוונטית, ולהוביל לשגיאות. עם זאת, הרגישות המדהימה הזו של מערכות קוונטיות לגורמים סביבתיים מייצגת למעשה יתרון ייחודי. רגישות זו מאפשרת לחיישנים קוונטיים לעלות על חיישנים קונבנציונליים בדיוק, למשל בעת מדידת שדות מגנטיים או כבידה.

ביטול רעשים באמצעות ספקטרוסקופיה של מתאם

התכונות הקוונטיות העדינות הדרושות לחישה יכולות להיות מכוסות על ידי רעש – אינטראקציות מהירות בין החיישן לסביבה שמשבשות את המידע בתוך החיישן, מה שהופך את האות הקוונטי לבלתי קריא. במאמר חדש, פיזיקאים בראשות כריסטיאן רוס מהמחלקה לפיזיקה ניסויית באוניברסיטת אינסברוק, יחד עם שותפים בישראל ובארה"ב, מציגים שיטה להנגשת מידע זה שוב באמצעות "ספקטרוסקופיה מתאם".

"כאן, הרעיון המרכזי הוא שאנחנו לא משתמשים רק בחיישן בודד, אלא ברשת של עד 91 חיישנים, שכל אחד מהם מורכב מחיישנים בודדים אָטוֹם", מסבירה הלן היינצר, המחברת הראשונה של המאמר. "מכיוון שרעש משפיע באופן שווה על כל החיישנים, ניתוח שינויים בו-זמניים במצבים של כל החיישנים מאפשר לנו להפחית ביעילות את הרעש הסביבתי ולשחזר את המידע הרצוי. זה מאפשר לנו למדוד במדויק שינויים בשדה מגנטי בסביבה, כמו גם לקבוע את המרחק בין החיישנים הקוונטיים".

מעבר לכך, השיטה ישימה למשימות חישה שונות אחרות ובתוך פלטפורמות ניסוי מגוונות, המשקף את הרבגוניות שלה.

הדיוק עולה עם מספר החיישנים

בעוד שספקטרוסקופיה של מתאם הוכחה בעבר עם שני שעונים אטומיים, המאפשרת דיוק מעולה במדידת זמן, "העבודה שלנו מסמנת את היישום הראשון של שיטה זו על מספר כה גדול של אטומים", מדגיש זוכה פרס ה-ERC כריסטיאן רוס.

"כדי לבסס שליטה ניסויית על כל כך הרבה אטומים, בנינו מערך ניסוי חדש לחלוטין במשך כמה שנים."

בפרסומם מראים מדעני אינסברוק שהדיוק של מדידות החיישנים עולה עם מספר החלקיקים ברשת החיישנים. יש לציין, שהסתבכות – בשימוש קונבנציונלי כדי לשפר את דיוק החיישנים הקוונטיים אך קשה ליצור במעבדה – לא מספקת יתרון בהשוואה לרשת מרובת החיישנים.

העבודה פורסמה בכתב העת סקירה פיזית X.

מחקר זה נתמך כלכלית על ידי קרן המדע האוסטרית FWF, משרד החינוך, המדע והמחקר הפדרלי של אוסטריה, האיחוד האירופי והפדרציה של התעשיות האוסטריות טירול, בין היתר.