Квантовые методы на основе искусственного интеллекта повышают чувствительность магнитометра в шесть раз

• Исследователи разрабатывают новый метод измерения магнитных полей с использованием квантовой системы и методов машинного обучения.
• Они достигают чувствительности, которая в 6 раз выше, чем та, которую можно достичь с помощью традиционных методов. 

Существуют определенные пределы того, насколько точно можно измерить вещи. Возьмем, к примеру, рентгеновское изображение:оно довольно размытое, и для его правильной интерпретации требуется опытный врач. Хотя более высокая интенсивность и более длительное время воздействия могут улучшить контраст между несколькими тканями, такое большое количество радиации небезопасно для человека.

Возможно, вы знаете о стандартном квантовом пределе, который гласит, что точность измерения обратно пропорциональна квадратному корню из данных ресурсов. Чем больше вы задействуете ресурсов — мощность излучения, время, количество изображений — тем точнее будут ваши измерения. Таким образом, более высокая точность означает использование обширных ресурсов.

Теперь международная группа физиков из МФТИ, Университета Аалто, Института Ландау и факультета физики ETH Zurich разработала лучший метод измерения магнитных полей с использованием квантовых систем и методов машинного обучения.

Они продемонстрировали магнитометр с точностью, превышающей стандартный квантовый предел. Давайте узнаем, как они это разработали.

Использование кубита для измерения магнитных полей с высокой чувствительностью

Исследователи повысили точность измерений магнитного поля, используя когерентность кубита, сверхпроводящего искусственного атома. Это очень маленькое устройство, сделанное из перекрывающихся алюминиевых полосок на кремниевом чипе. По такой же технологии производятся мобильные и компьютерные процессоры.

Кубит, реализованный из алюминиевых полосок на кремниевом чипе | Изображение предоставлено: Баби Бразилейро/Университет Аалто

Когда устройство подвергается воздействию очень низких температур, через него протекает ток с почти нулевым сопротивлением, и устройство начинает проявлять свойства квантовой механики, аналогичные свойствам реальных атомов. Фактически, его собственный магнитный момент примерно в 100 000 раз больше, чем у реальных атомов/ионов.

Состояние кубита меняется при облучении его микроволновым импульсом. Это изменение зависит от приложенного внешнего магнитного поля. Таким образом, чтобы узнать магнитное поле, достаточно измерить атом.

В детекторе магнитного поля на основе кубитов когерентность между двумя состояниями (когерентными суперпозициями квантовых состояний) колеблется с частотой магнитного поля, пронизывающего устройство. Чем выше скорость изменения фазы волновой функции, тем выше точность.

Ссылка:npj Quantum Information | doi:10.1038/s41534-018-0078-y | ETH Цюрих

Однако это не даст вам точности, превышающей стандартный квантовый предел. Придется применить еще один трюк — распознавание образов с помощью машинного обучения.

Исследователи применили адаптивный подход. Они выполнили измерение и передали результат в алгоритмы машинного обучения. Затем они позволяют ИИ решить, как изменить управляющий параметр на следующем этапе, чтобы как можно быстрее оценить магнитное поле.

Это позволило им достичь чувствительности, примерно в 6 раз превышающей ту, которую можно достичь с помощью традиционных методов.

Заключение

Такое сочетание использования квантового оборудования и алгоритмов контролируемого машинного обучения в контексте квантового зондирования обещает одно- или многокубитные магнитометры, которые смогут обеспечить точность, превосходящую пределы современных детекторов магнитного поля.

Читайте:Первое моделирование атомного ядра на квантовом компьютере

Обнаружение магнитного поля имеет решающее значение в широком спектре областей:от визуализации деятельности мозга до геологической обработки. Это небольшой шаг на пути к использованию квантово-усовершенствованных методов в сенсорных технологиях.