Forskare har demonstrerat en ny kvantavkänningsteknik som vida överstiger konventionella metoder och som potentiellt kan påskynda framstegen inom områden som sträcker sig från medicinsk bildbehandling till grundläggande fysikforskning, vilket framgår av en studie publicerad i Nature Communications.
I årtionden har kvantsensorer begränsats av dekohären, ett oförutsägbart beteende som orsakas av omgivningsbrus.
”Dekohären gör att tillståndet i ett kvantsystem slumpmässigt blandas, vilket raderar alla kvantsensorsignaler”, säger Eli Levenson-Falk, seniorförfattare till studien, docent i fysik och astronomi vid USC Dornsife College of Letters, Arts and Sciences och docent i elektro- och datateknik vid USC Viterbi School of Engineering.
Kvantsensorer använder kvantsystem (såsom atomer, ljuspartiklar eller kvantbitar) som sensorer för att mäta fysikaliska storheter (såsom hjärnaktivitet, ultraprecisa klockor eller gravitationella avvikelser) med extrem precision, ofta långt över klassiska sensorer. Sensorer utnyttjar kvantegenskaper (såsom superposition, sammanflätning och koherens) för att detektera små signaler som annars skulle drunkna i bruset.
”Tänk på det som att försöka höra en svag viskning i ett bullrigt rum”, säger Malida Hecht, doktorand i fysik vid USC Dornsife och huvudförfattare till studien. ”Kvantsensorer detekterar saker som är för små eller svaga för att normala mätinstrument kan upptäcka.”
Motverka dekohären med ett nytt koherensstabiliserat protokoll
I den nya studien motverkade forskarteamet tillfälligt det långvariga problemet med dekohären genom att använda ett nytt förutbestämt koherensstabiliserat protokoll på experimentets kvantbit, vilket stabiliserade en viktig egenskap hos kvanttillståndet.
Protokollet i studien baserades på teori som utvecklats av medförfattarna Daniel Lidar (Viterbi-professor i teknik och professor i kemi, fysik och astronomi vid USC) och Kumar Saurav (doktorand i elektroteknik vid USC Viterbi).
Detta experiment förbättrade avsevärt mätningen av små frekvensförskjutningar i kvantsystem. Levenson-Falk sa att studiens koherensstabiliserade avkänningsprotokoll gör att avkänningssignalen, som tar formen av en förändring i kvanttillståndet, kan bli större än den skulle bli med standardprotokollets avkänningsmätning.
Denna stabilisering kan visa sig avgörande för tillämpningar där det är viktigt att kunna detektera subtila signaler. ”Ju större signal, desto lättare är den att detektera, vilket ger förbättrad känslighet”, sa Levenson-Falk.
”Vår studie ger den bästa känsligheten för att detektera en kubits frekvens hittills. Viktigast av allt är att vårt protokoll inte kräver någon återkoppling och inga extra kontroll- eller mätresurser, vilket gör det omedelbart tillämpligt inom olika kvantdator- och kvantsensorteknologier.”
165 % förbättring av avkänningsförmågan
Forskarna demonstrerade sitt protokoll på en supraledande kvantbit och uppnådde upp till 1,65 gånger bättre effektivitet per mätning jämfört med standardprotokollet som kallas Ramsey-interferometri. Teoretiska analyser indikerade potentiella förbättringar på upp till 1,96 gånger i vissa system.
Levenson-Falk sa att hans experimentella demonstration av avkänning med ett stabiliserat tillstånd visar att det finns sätt att förbättra kvantsensorer utan att tillgripa komplicerade tekniker som realtidsåterkoppling eller sammanflätning av många sensorer.
”Det visar också att vi ännu inte har utvunnit all möjlig information från dessa typer av mätningar. Det finns ännu bättre avkänningsprotokoll, och vi skulle kunna använda dem för att få omedelbar påverkan i verkligheten.”
Mer information: Beating the Ramsey limit on sensing with deterministic qubit control, Nature Communications (2025). DOI: 10.1038/s41467-025-58947-4. www.nature.com/articles/s41467-025-58947-4