人工智能驱动的量子技术将磁力计灵敏度提高六倍
- 研究人员开发了一种利用量子系统和机器学习技术测量磁场的新方法。
- 它们的灵敏度比传统技术高 6 倍。
人们测量事物的精确程度存在一定的限制。以 X 射线图像为例，它非常模糊，需要专业医生才能正确解读。虽然更高的强度和更长的曝光时间可以改善多个组织之间的对比度，但如此大量的辐射对人类来说并不安全。
您可能知道标准量子极限，它表示测量精度与给定资源的平方根成反比。您应用的资源（辐射功率、时间、图像数量）越多，您的测量就越准确。因此，更高的精度意味着使用广泛的资源。
现在，来自 MIPT、阿尔托大学、兰道研究所和苏黎世联邦理工学院物理系的国际物理学家团队提出了一种更好的方法，利用量子系统和机器学习技术来测量磁场。
他们展示了一种精度超出标准量子极限的磁力计。让我们看看他们是如何开发的。
使用量子比特高灵敏度测量磁场
研究人员通过利用量子位（一种超导人造原子）的相干性，提高了磁场测量的精确度。这是一种非常小的设备，由硅芯片上重叠的铝带制成 - 制造移动和计算机处理器也使用相同的技术。
由硅芯片上的铝带实现的量子位 |图片来源：Babi Brasileiro / 阿尔托大学
当该器件暴露在非常低的温度下时，电流以几乎为零的电阻流过它，并且该器件开始表现出与实际原子相似的量子力学特性。事实上，它的固有磁矩大约是真实原子/离子的10万倍。
当量子位受到微波脉冲照射时，其状态会发生变化。这种变化依赖于施加的外部磁场。因此，要了解磁场，您所要做的就是测量原子。
在基于量子位的磁场探测器中，两种状态（量子态的相干叠加）之间的相干性以穿透设备的磁场频率振荡。能够测量的波函数相变率越高，精度越高。
参考：npj 量子信息 | doi:10.1038/s41534-018-0078-y | 苏黎世联邦理工学院
然而，这不会给你提供超出标准量子限制的精度。您必须应用另一个技巧，即使用机器学习进行模式识别。
研究人员采用了一种适应性方法。他们进行了测量并将结果输入机器学习算法。然后，他们让人工智能决定下一步如何改变控制参数，以最快地估计磁场。
这使他们能够达到比传统技术高出大约 6 倍的灵敏度。
结论
在量子传感的背景下利用量子硬件和监督机器学习算法的这种结合有望实现单量子位或多个量子位磁力计，其精度可以超越当前磁场探测器的限制。
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磁场检测在从大脑活动成像到地质处理等广泛领域中都至关重要。这是在传感器技术中使用量子增强方法的一小步。
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