kvanttimetrologiassa

Kvanttimetrologia on metrologian ala, jossa kvanttijärjestelmien ominaisuuksia, kuten superpositiota ja entanglementtia, hyödynnetään mittausten tarkkuuden parantamiseksi. Tavoitteena on ylittää klassinen standard quantum limit (SQL) ja mahdollisesti saavuttaa Heisenbergin raja taajuus- ja faasisemittauksissa sekä muissa parametreihin liittyvissä mittauksissa.

Teoreettinen kehys perustuu kvanttiseen Fisherin informaatioon ja kvanttiseen Cramér–Rao-rajaan. Nämä asettavat fundamentaalin epävarmuuden minimin riippuen käytetyistä tiloista ja mittausmenetelmistä. Vaiheen mittauksissa hyödynnetään interferometrejä, NOON-tiloja ja squeezing-tiloja, jotka voivat parantaa faasisensitiivisyyttä. Edut voivat kuitenkin olla herkkiä decoherenceille ja muille ympäristöhäiriöille, jotka heikentävät hyödyntämistä.

Kokeellisia alustoja ovat atomikellot ja ionikellot, optinen interferometria sekä kvanttisidosten ja squeezed-valon käyttö. Kvanttimetrologia edistää aikamittauksia, taajuusstandardeja sekä tarkkaa mittausta gravimetrisissä ja magnetometrisissa sensoreissa. Se vaikuttaa myös optisiin kelloihin ja tuleviin kvanttitekniikan sovelluksiin, joissa tarkka vaihe- tai taajuusmittaus on keskeistä.

Haasteina ovat kvantti-tilojen valmistuksen ja ylläpidon tekniset rajoitteet, dekoherenssi ja ympäristömelun hallinta sekä mittausmenetelmien robustius käytännön olosuhteissa. Lisäksi tarvitaan kustannustehokkaita, skaalautuvia ratkaisuja sekä standardeja ja kalibrointiprotokollia, jotta kvanttimetrologia voi yleistyä laajempaan sovelluskäyttöön.