Loading ...Надежная количественная оценка и описание квантовых состояний различных систем чрезвычайно важны как для исследований в области квантовой физики, так и для разработки квантовых технологий. Количественная оценка этих состояний обычно предполагает проведение ряда измерений и их реконструкцию с помощью процесса, известного как томография квантовых состояний.
Исследователи из Свободного университета Берлина, Высшей нормальной школы в Италии и других институтов недавно провели исследование, призванное пролить свет на точность, с которой томография может надёжно реконструировать различные квантовые состояния в системах разного размера. Результаты, опубликованные в журнале Nature Physics , свидетельствуют о том, что томография этих состояний крайне неэффективна в системах, описываемых непрерывными степенями свободы, таких как световые моды в бозонных и квантово-оптических системах.
«Идеи томографии квантовых состояний имеют давнюю историю», — рассказал Phys.org Йенс Айсерт, соавтор статьи. «В конце концов, в любом эксперименте данные — это, в конечном счёте, всё, что у нас есть, поэтому естественно задуматься о том, как узнать неизвестные квантовые состояния из собираемых нами данных. Такие идеи особенно актуальны в квантовых оптических системах, где приготовление состояний имеет особенно долгую историю».
Исследование пределов квантовой томографии
Термин «томография» впервые появился в области медицинской визуализации. В данном контексте это процесс, посредством которого медицинские специалисты реконструируют многомерные объекты по проекциям маломерных объектов. Стоит отметить, что такая реконструкция применима и в контексте квантовой оптики.
«Методы квантовой томографии состояний появились ещё в 1980-х годах и ранее», — сказал Айсерт. «В последнее время исследователи начали рассматривать подготовку и описание состояний в более точных, количественных терминах. Стремясь к быстрому прогрессу квантовых технологий, люди теперь задаются вопросом, чего можно надёжно достичь, используя реалистичные экспериментальные ресурсы. Мы также придерживаемся этой точки зрения».
Опираясь на последние достижения квантовых технологий, Эйсерт и его коллеги задались целью определить точность, с которой можно получать неизвестные квантовые состояния из данных. Они рассмотрели два различных типа состояний: гауссовские (т.е. полностью описываемые первым и вторым статистическими моментами) и негауссовские (т.е. демонстрирующие особенности, выходящие за рамки так называемой гауссовой статистики).
«Мы были искренне удивлены, когда осознали, насколько сложна эта проблема: сложность образца крайне неблагоприятно растёт с желаемой точностью реконструкции», — пояснил Айсерт. «Квантовая томография состояний для систем с непрерывными переменными обычно выполняется с использованием гомодинного или гетеродинного детектирования — методов, которые естественным образом соответствуют непрерывной природе света. Эти методы также дают ценную информацию о структуре исследуемого квантового состояния».
Сильные стороны и ограничения существующих методов томографии
Результаты данного исследования выявляют ограничения существующих подходов к характеристике квантовых состояний. В частности, они показывают, что томография квантовых состояний для систем с непрерывными переменными значительно сложнее, чем для систем с конечными размерами.
«Главным сюрпризом для нас стало то, что устоявшиеся подходы серьёзно уступают ограничениям теории сложности», — сказал Эйсерт. «В конце концов, точное изучение неизвестных квантовых состояний с непрерывными переменными крайне сложно, независимо от конкретного используемого метода. Это остаётся верным даже при естественных ограничениях на энергию и моменты».
Недавняя работа Эйсерта и его коллег проливает новый свет на то, что можно реально измерить в квантовых системах с помощью современных подходов, а что — нет. Полученные группой знания могут стать руководством для будущих исследований, направленных на изучение квантовых состояний в новых квантовых и квантово-оптических устройствах.
«Возможно, наиболее значимым вкладом нашей статьи, по крайней мере с точки зрения культуры, является то, что она демонстрирует преимущества стимулирования коммуникации между исследователями из разных областей», — сказал Эйсерт. «Не следует принимать старые результаты как должное. Стоит вернуться к старым вопросам, чтобы понять, насколько хорошо тот или иной подход может работать. С физической точки зрения, бесконечномерная природа состояний света крайне затрудняет определение того, что происходит в лаборатории».
Исследователи планируют продолжить оценку эффективности и масштабируемости существующих методов количественной оценки квантовых состояний. Это, в свою очередь, поможет им разрабатывать всё более совершенные и производительные квантовые технологии.
«Сейчас мы стремимся разработать операциональную теорию обучения в квантовом мире», — добавил Эйсерт. «В более широком смысле, мы стремимся понять, какие выводы о физических системах в природе можно сделать на основе разумного, а в идеале полиномиального, объёма данных».
Новости партнеров:
Вам могло бы понравиться:
139
