AI を活用した量子技術により磁力計の感度が 6 倍に向上

• 研究者は、量子システムと機械学習技術を使用して磁場を測定する新しい方法を開発します。
• 従来の技術で達成できる感度の 6 倍の感度に達します。 

物事をどれだけ正確に測定できるかには一定の限界があります。たとえば、X 線画像は非常に不鮮明であり、適切に解釈するには専門の医師が必要です。強度を高くし、曝露時間を長くすると、複数の組織間のコントラストが向上する可能性がありますが、そのような大量の放射線は人体にとって安全ではありません。

標準の量子制限についてご存知かもしれません。これは、測定の精度が特定のリソースの平方根に反比例するというものです。放射線のパワー、時間、画像の数などのリソースを適用すればするほど、測定の精度が高まります。したがって、精度を高めるには、広範なリソースを使用する必要があります。

このたび、MIPT、アアルト大学、ランダウ研究所、ETH チューリッヒ物理学科の物理学者からなる国際チームが、量子システムと機械学習技術を使用して磁場を測定するより良い方法を考案しました。

彼らは、標準量子の限界を超える精度を持つ磁力計を実証しました。彼らがどのように開発したのか見てみましょう。

量子ビットを使用して高感度で磁場を測定する

研究者らは、超伝導人工原子である量子ビットのコヒーレンスを利用することで、磁場測定の精度を高めた。これは、シリコン チップ上でアルミニウム ストリップを重ね合わせて作られた非常に小さなデバイスです。モバイルやコンピュータのプロセッサの製造に同じ技術が使用されています。

シリコンチップ上のアルミニウムストリップから実現された量子ビット |画像クレジット:Babi Brasileiro / アアルト大学

デバイスが非常に低い温度にさらされると、電流は抵抗がほぼゼロで流れ、デバイスは実際の原子と同様の量子力学の特性を示し始めます。実際、その固有磁気モーメントは、実際の原子/イオンの約 100,000 倍です。

量子ビットはマイクロ波パルスが照射されると状態が変化します。この変化は、印加される外部磁場に依存します。したがって、磁場を知るには、原子を測定するだけで済みます。

量子ビットベースの磁場検出器では、2 つの状態間のコヒーレンス (量子状態のコヒーレントな重ね合わせ) が、デバイスを貫通する磁場の周波数で振動します。測定できる波動関数の位相変化率が高いほど、精度が高くなります。

参考:npj 量子情報 |土井:10.1038/s41534-018-0078-y | チューリッヒ工科大学

ただし、標準の量子制限を超える精度は得られません。別のトリック、つまり機械学習を使用したパターン認識を適用する必要があります。

研究者らは適応的なアプローチを適用しました。彼らは測定を実行し、その結果を機械学習アルゴリズムに供給しました。次に、次のステップで制御パラメータを変更する方法を AI に決定させ、磁場の推定を最速で達成します。

これにより、従来の技術で達成できる感度よりも約 6 倍高い感度に達することができました。

結論

量子センシングのコンテキストで量子ハードウェアと教師あり機械学習アルゴリズムを利用するこの組み合わせにより、現在の磁場検出器の限界を超える精度を提供できる単一または数量子ビットの磁力計が期待できます。

読む:量子コンピュータによる原子核の最初のシミュレーション

磁場の検出は、脳活動のイメージングから地質学的処理まで、幅広い分野で重要です。これは、センサー テクノロジーに量子強化手法を使用するための小さな一歩です。