Создан магнитометр который использует квантовые эффекты и машинное обучение

Ученые из российского МФТИ в сотрудничестве с коллегами из Аальто университета Финляндии и Федерального Института Технологий Цюриха представили прототип устройства, которое использует эффекты квантовой физики и методы машинного обучения, чтобы измерять магнитные поля точнее, чем любые классические аналоги. Подобные измерения нужны, чтобы искать полезные ископаемые и далекие космические объекты, диагностировать заболевания мозга и создать более чувствительные радары.

Магнитометр - это инструмент такой. Он нужен, чтобы измерять магнитные поля. Компас - хороший пример старого-доброго магнитометра. Но существуют и более продвинутые модели, например, устройства такого типа - металлодетекторы используют археологи и военные. «Рамки» на входе в аэропорт и в зоне таможенного контроля - тоже являются не чем иным как магнитометрами.

Но существует определенное ограничение точности измерений подобных инструментов, известное как квантовый предел. Базовая идея заключается в том, что для того чтобы провести измерение в два раза точнее, само измерение должно проводиться в четыре раза дольше. Это правило применимо к любому классическому устройству, которое не использует интересный свойства квантовой физики.

Достижение более высокой точности и более короткого времени измерения имеет решающее значение, когда исследуются короткоживущие магнитные явления или живая ткань. Например, когда пациент проходит позитронно-эмиссионную томографию, также известную как ПЭТ-сканирование, перед исследованием в организм вводятся радиоактивные индикаторы, и чем более чувствителен детектор, тем меньше нужна доза, в общем, не самого полезного препарата.

Согласно авторам изобретения, квантовая технология позволяет увеличить точность измерения - для этого потребуется увеличить время сканирования всего в два раза, а не в четыре, как в случае классического магнитометра. В своей статье они описывают, как им кажется, первую успешную попытку применить новый подход на практике с использованием сверхпроводящего кубита в качестве измерительного устройства.

Кубит - частица, которая подчиняется законам квантовой физики и можешь находится в двух дискретных состояниях одновременно, это известно, как принцип суперпозиции.

В своей работе Лебедев и соавторы реализовали такой кубит на основе искусственных атомов, микроскопических структур, сделанных из тонких слоев алюминия, которые нанесли на кремниевый чип и поместили его в очень необычный холодильник. В такой системе температура приближена к абсолютному нулю (−273,15 °C), поэтому измерительный прибор начинает вести себя как возбуждённый атом, который поглощает кванты энергии, соответствующие разности энергетических уровней электронов.

К лабораторному кубиту провели кабель в холодильник и облучили его необходимой порцией микроволнового излучения, кубит поглотил излучение и перешел из основного состояния в равновесную суперпозицию - теперь он почти как будто в двух состояниях одновременно. С этого момента вероятность обнаружить кубит в возбужденном или основном состоянии - 50 на 50. И тут начинается самое интересное.

Особенность сверхпроводящих кубитов в том, что они чувствительны к магнитным полям, и это можно использовать для измерений. Если перевести такое устройство в состояние равновесной суперпозиции управляющим импульсом микроволнового излучения и поместить его в магнитное поле, то состояние кубита начинает прогнозируемо меняться со временем. Проблема в том, что до недавнего времени мы не знали, какой нужен интервал между импульсами, чтобы заставить систему перейти в состояние равновесной суперпозиции.

Чтобы отследить эти изменения, ученые стали повторно воздействовать на устройство, направляя на него новые импульсы микроволн через фиксированный промежуток времени и после каждого раза проверяли, вероятность обнаружить кубит в возбужденном состоянии. Для этого эксперимент повторялся многократно. А из полученной вероятности вычислялась сила внешнего магнитного поля.

Преимущество такой квантовой технологии в том, что для уточнения измерения в 10 раз, достаточно повторить его 10 раз, а не 100. За счет многократных повторов и сопутствующих измерений можно произвести финальные расчеты и их анализ. Для постпроцессинга данных использовалось распределение Байеса и алгоритм Китаева.

Реальный кубит, он не идеален. Это инженерный объект, а не абстрактная математическая модель. Поэтому вместо того, чтобы пользоваться теоретической формулой, поведение кубита предварительно промеряется, - объясняет Лебедев. - Мы впервые применили машинное обучение в отношении квантового магнитометра.

Суть обучения в том, что процедура измерения проводилась многократно в контролируемых условиях, то есть было известно время между импульсами и диапазон воздействующего на кубит магнитного поля. Отсюда следует, что авторы определяли вероятность «застать» искусственный атом в основном и возбужденном состоянии после каждого последующего импульса излучения для магнитных полей разной силы и при разной задержке между импульсами.

В результате получился своего рода «отпечаток пальца», или «паспорт» для этого конкретного магнитометра, который учитывает спектр его характеристик в заданных условиях. У каждого магнитометра свой паспорт: двух одинаковых приборов не бывает.

Паспорт магнитометра нужен для того, чтобы при проведении измерений алгоритм ИИ подбирал оптимальное время задержки между двумя импульсами. В результате высокая точность достигается за меньшее число измерений.

Пока что прототип и вообще сверхпроводящие кубиты работают только при температуре абсолютного нуля (−273,15 °C), что в 10-20 тысяч раз холоднее, чем в комнате. Сейчас инженеры работают над тем, чтобы поднять рабочую температуру таких устройств хотя бы до четырех кельвинов (−269 °C). В таком случае для охлаждения можно будет использовать жидкий гелий, и технология станет коммерчески оправданной. Но есть и другие сложности.

Прототип на первом этапе испытан на постоянном магнитном поле, но есть и переменные поля, которые в теории можно измерять аналогичным образом. Авторы исследования понимают эту и уже проводят эксперименты с переменным полем, которые обещают расширить область применения разработки.

Например, если поставить квантовый магнитометр на спутник, он сможет наблюдать астрономические явления на расстоянии, которое не под силу классическим приборам, тем более в космосе охладить прибор до необходимой температуры гораздо проще. А система из нескольких квантовых магнитометров может работать как сверхчувствительный радар. Такие приборы нужны, чтобы делать томографию пациентам, разведывать месторождения руды, изучать структуру биомолекул и неорганических материалов.

Когда на магнитометр поступает первый импульс микроволн, он входит в состояние суперпозиции. Если представить все возможные состояния кубита как сферу, где северный полюс - основное состояние, а южный - возбужденное, то любая другая точка на сфере соответствует состоянию суперпозиции.

В этой аналогии первый импульс воздействует на состояние кубита с северного полюса - основного состояния - до точки на экваторе (Рис. 2а), Суть в том, что под воздействием первого импульса микроволн кубит переходит в состояние равновесной суперпозиции.

В таком состоянии можно с равной вероятностью обнаружить кубит как в основном, так и в возбужденном состоянии. С этого момента кубит чувствителен к внешнему магнитному полю (чрезвычайно чувствителен).

Чувствительность устройства к магнитному полю выражается в том, что его состояние со временем предсказуемо меняется. Визуально это можно представить как вращение точки по экватору сферы (Рис. 2б). Причем сила внешнего магнитного поля определяет то, как быстро точка вращается по экватору. Поэтому если найти способ измерить угол поворота X за известное время, можно вычислить силу поля.

Затруднение лежит в том, чтобы различить разные состояния на экваторе сферы: измерения будут давать основное и возбужденное состояние с равной вероятностью. Именно поэтому авторы направляют на устройство второй импульс и только потом проверяют состояние кубита; кстати, это тоже делается электромагнитным излучением.

Повторный импульс выводит состояние устройства с экватора либо в одну, либо в другую полусферу - в зависимости от угла поворота. Теперь вероятность «поймать» кубит в возбужденном состоянии не равна 50%: она зависит от угла, на который успело повернуться состояние кубита между импульсами. Повторив процедуру много раз, можно узнать эту вероятность, а значит, и угол X, и силу магнитного поля. В этом состоит принцип работы магнитометра.