Физики из России создали самый чувствительный металлоискатель в мире
Российские ученые и их зарубежные коллеги превратили одиночные кубиты, элементарные ячейки квантового компьютера, в самый чувствительный датчик магнитных полей на Земле. Их выводы были представлены в журнале npj Quantum Information.
"Когда изучаешь природу, всегда имеешь так или иначе дело с электромагнитными сигналами, будь то человеческий мозг или вспышка сверхновой. Поэтому измерять магнитные поля приходится в самых разных областях, и хотелось бы делать это как можно точнее", - рассказывает Андрей Лебедев из Московского Физтеха в Долгопрудном, чьи слова приводит пресс-служба вуза.
Предел точности
Датчики магнитных полей сегодня используются практически повсеместно - их можно встретить в виде рамок металлоискателей в аэропортах и метро, в качестве "сердца" томографов, кардиографов и множества других медицинских приборов, а также внутри различных электронных гаджетов и промышленных агрегатов.
За последние годы физики создали десятки сверхчувствительных датчиков магнитных полей, так называемых "сквидов" (SQUID), работающих на основе квантовых эффектов в так называемых переходах Джозефсона - "сэндвичах" из двух кусочков сверхпроводника и диэлектрика, чье существования было предсказано в 1960-х годах британским физиком Брайаном Джозефсоном.
В зависимости от силы магнитного поля, окружающего такой "бутерброд", электроны могут "перепрыгивать" из одного слоя сверхпроводника в другой, проходя сквозь диэлектрик. Данный эффект ученые применяют не только для создания детекторов магнитных полей, а также экспериментальных вычислительных устройств и запоминающих устройств, в том числе и памяти для будущих квантовых компьютеров.
Эти приборы, как пишут Лебедев и его коллеги, имеют один общий недостаток, не позволяющий им проводить сверхточные измерения, приближающиеся к пределам, налагаемым принципом неопределенности Гейзенберга и прочими законами квантового мира.
Дело в том, что ключевая часть всех "сквидов" - ток, проходящий через диэлектрик - имеет классическую, а не квантовую природу, что налагает большие ограничения на общую точность измерений. Российские физики и их зарубежные коллеги обошли эту проблему, заменив переход Джозефсона на другой квантовый объект, искусственный атом.
Квантовый скачок
Он представляет собой набор из нескольких миниатюрных алюминиевых и кремниевых пленок, соединенных друг с другом таким образом, что при охлаждении до сверхнизких температур они начинают вести себя подобно одиночному атому и его "облаку" электронов.
Подобные структуры, как отмечают ученые, сегодня используются в качестве базы для так называемых трансмонов - сверхпроводящих ячеек памяти квантового компьютера, информация в которых хранится в виде уровней энергии искусственного атома. Ее можно считать или записать в подобный кубит, "обстреляв" его пучками микроволн.
Лебедев и его коллеги заметили, что эффективность записи данных в трансмон очень сильно зависит от того, насколько сильным было магнитное поле в его окрестностях в момент облучения микроволнами. Так как все эти процессы носят квантовый характер, подобное наблюдение заставило ученых задуматься о том, нельзя ли приспособить искусственные атомы для замеров магнитных полей.
Для реализации этой идеи ученым пришлось дополнительно создать систему машинного обучения. Она анализировала сигнал и автоматически повышала точность замеров магнитного поля до максимально возможной, меняя то, как часто микроволновые излучатели "обстреливали" кубит.
Как отмечают ученые, их "металлоискатель" уже сейчас превосходит уже существующие датчики на базе сквидов, однако в будущем ее чувствительность можно будет увеличить на порядок и вплотную приблизиться к квантовому пределу.
С другой стороны, для коммерческого использования этой технологии команде Лебедева придется задуматься о том, как ее можно заставить работать при более высоких температурах, совместимых с азотным или гелиевым охлаждением.
