Ny forskning ledd av ett team av forskare vid The Australian National University (ANU) har skisserat ett sätt att uppnå mer exakta mätningar av mikroskopiska objekt med hjälp av kvantdatorer – ett steg som kan visa sig användbart i ett stort antal nästa generations teknologier, inklusive biomedicinsk avkänning.
Att undersöka de olika individuella egenskaperna hos ett stort vardagsföremål som en bil är ganska enkelt: en bil har en väldefinierad position, färg och hastighet. Detta blir dock mycket svårare när man försöker undersöka mikroskopiska kvantobjekt som fotoner - små små ljuspartiklar.
Det beror på att vissa egenskaper hos kvantobjekt är sammankopplade, och att mäta en egenskap kan störa en annan egenskap. Till exempel kommer mätning av en elektrons position att påverka dess hastighet och vice versa.
Sådana egenskaper kallas konjugerade egenskaper. Detta är en direkt manifestation av Heisenbergs berömda osäkerhetsprincip – det är inte möjligt att samtidigt mäta två konjugerade egenskaper hos ett kvantobjekt med godtycklig noggrannhet.
Enligt huvudförfattare och ANU Ph.D. forskaren Lorcán Conlon, detta är en av kvantmekanikens avgörande utmaningar.
"Vi kunde designa en mätning för att bestämma konjugerade egenskaper hos kvantobjekt mer exakt. Anmärkningsvärt nog kunde våra medarbetare implementera denna mätning i olika laboratorier runt om i världen, säger Conlon.
"Mer noggranna mätningar är avgörande och kan i sin tur öppna upp nya möjligheter för alla typer av teknologier, inklusive biomedicinsk avkänning, laseravståndsmätning och kvantkommunikation."
Den nya tekniken kretsar kring en märklig egenhet av kvantsystem, känd som entanglement. Enligt forskarna, genom att trassla in två identiska kvantobjekt och genom att mäta dem tillsammans kan forskare bestämma deras egenskaper mer exakt än om de mättes individuellt.
"Genom att trassla in två identiska kvantsystem kan vi få mer information," sa medförfattaren Dr. Syed Assad. "Det finns en del oundvikligt brus associerat med att mäta någon egenskap hos ett kvantsystem. Genom att trassla in de två kan vi minska detta brus och få en mer exakt mätning.”
I teorin är det möjligt att trassla in och mäta tre eller flera kvantsystem för att uppnå ännu bättre precision, men i det här fallet stämde inte experimenten överens med teorin. Ändå är författarna övertygade om att framtida kvantdatorer kommer att kunna övervinna dessa begränsningar.
"Kvantdatorer med felkorrigerade qubits kommer att kunna mäta med fler och fler kopior i framtiden," sa Conlon.
Enligt professor Ping Koy Lam, A*STAR chefskvantforskare vid Institutet för materialforskning och teknik (IMRE), är en av de viktigaste styrkorna med detta arbete att en kvantförbättring fortfarande kan observeras i bullriga scenarier.
"För praktiska tillämpningar, som i biomedicinska mätningar, är det viktigt att vi kan se en fördel även när signalen oundvikligen är inbäddad i en bullrig verklig miljö," sa han.
Studien utfördes av experter vid ARC Center of Excellence for Quantum Computation and Communication Technology (CQC2T), i samarbete med forskare från A*STARs Institute of Materials Research and Engineering (IMRE), University of Jena, University of Innsbruck, och Macquarie University. Amazon Web Services samarbetade genom att tillhandahålla forskning och arkitektoniskt stöd och genom att göra Rigetti Aspen-9-enheten tillgänglig med Amazon Bracket.
Forskarna testade sin teori på 19 olika kvantdatorer, över tre olika plattformar: supraledande, fångade joner och fotoniska kvantdatorer. Dessa världsledande enheter finns över hela Europa och Amerika och är molntillgängliga, vilket gör att forskare från hela världen kan ansluta och utföra viktig forskning.
