Квантовые ученые Калифорнийского университета в Санта-Барбаре проведут NSF

На атомном и субатомном уровнях существуют модели поведения, которые обладают огромным потенциалом для улучшения того, как мы видим мир и взаимодействуем с ним, путем улучшения существующих технологий и потенциально создания новых. Главное преимущество, которое можно получить от квантового зондирования, — это его чрезвычайная чувствительность и точность, позволяющая улавливать самые слабые сигналы и проводить измерения в самых маленьких масштабах.

Теперь несколько исследователей из Калифорнийского университета в Санта-Барбаре готовы применить свой опыт в области квантовой науки в рамках программы Национального научного фонда США (NSF) «Проблемы квантового зондирования для трансформационных достижений в квантовых системах» (QuSeC-TAQS). Они присоединяются к группе из 18 исследовательских групп в университетах по всей территории США, поддержанных инвестицией в размере 29 миллионов долларов от NSF, чтобы изучить способы использования бесконечно малых и иногда противоречивых квантовых свойств природы для создания возможностей в человеческом масштабе.

Каждая из команд получит от 1 до 2 миллионов долларов в течение четырех лет на проведение широкого спектра исследовательских работ. Потенциальные воздействия разнообразны: от способности ощущать гравитационные волны, пульсирующие в пространстве, до средств наблюдения за внутренними функциями живых клеток.

«На протяжении десятилетий научные исследования в квантовом масштабе приводили к удивительным открытиям о том, как работает наша Вселенная, а также к заманчивым возможностям для квантовых технологий», — сказал директор Национального научного фонда Сетураман Панчанатан. «Сейчас мы делаем следующий шаг в квантовых исследованиях посредством этих и других проектов, которые сочетают фундаментальные исследования с потенциальными приложениями, которые могут положительно повлиять на нашу жизнь, наше экономическое процветание и нашу конкурентоспособность как нации».

Оптический магнитометр с квантовыми улучшениями: Галан Муди и Паоло Пинтус

Как следует из названия, магнитометр измеряет магнитное поле и при этом предоставляет важную информацию о целях, связанных с этим полем. Компас — это простое устройство, показывающее информацию о направлении относительно магнитного поля Земли. Ученые продолжают использовать элегантную мощь этой технологии в растущем списке приложений — от археологии до исследования космоса.

Профессор электротехники и вычислительной техники Галан Муди и ученый Паоло Пинтус стремятся обеспечить высокую точность квантового зондирования в магнитометрии и построить все это на чипе. Подумайте о LIGO, лазерном интерферометре, который в 2015 году обнаружил малейшие колебания, создаваемые гравитационными волнами, возникающими на расстоянии 1,3 миллиарда световых лет. Команда построит аналогичный эксперимент с интерферометром на полупроводниковом чипе, который сможет обнаруживать малейшие изменения магнитных полей, а не гравитационные волны.

«Вместо детекторов километрового масштаба у нас есть детекторы миллиметрового масштаба», — сказал Пинтус, специализирующийся на интегральной оптике. Предложенный ими фотонно-интегрированный магнитооптический интерферометр будет беспрецедентным по своей чувствительности — 10-кратное увеличение по сравнению со стандартным квантовым пределом — встроенным в компактное, энергоэффективное устройство, которое можно будет использовать для обнаружения мельчайших магнитных полей с приложениями для навигации, геонаук и биомедицина, а также исследование космоса.

Ключом к этому новому устройству с низким свопом (размером, весом и мощностью) является использование квантового света. «Мы можем опираться на десятилетия исследований и разработок, чтобы создать магнитооптические датчики, которые не требуют каких-либо других громоздких приборов, что делает их компактными и портативными», — сказал Муди, чей опыт заключается в квантовой фотонике. «Обычно эти датчики питаются от лазеров, но их чувствительность имеет предел. Вместо этого, используя сжатый свет — особый вид квантового источника света, менее шумный, чем лазер, — мы можем выйти за этот предел».

Использование сжатого света позволяет очень точно измерять фазу световых волн относительно цели, а также снижает шум, который может легко затруднить высокоточные измерения.