Sensory kwantowe monitorowane w czasie ciągłym: Inteligentne narzędzia i ich zastosowania

Pozyskiwanie, przetwarzanie i interpretacja danych pomiarowych w procesach fizycznych ma kluczowe znaczenie dla nauki i technologii. Głównym celem projektu „Sensory kwantowe monitorowane w czasie ciągłym: Inteligentne narzędzia i ich zastosowania” (w skrócie, C’MONQSENS!) jest opracowanie nowatorskich i przełomowych narzędzi, które pozwolą na stworzenie nowej generacji czujników (sensorów) kwantowych. Już dziś, ultraprecyzyjne sensory wykorzystujące efekty kwantowe należą do jednych z najbardziej obiecujących technologii, których zastosowanie możemy obserwować w wielu dyscyplinach, ale dotychczas tylko w wąskim ich zakresie. Większość wysiłków do tej pory poświęcana była na wykorzystanie sensorów kwantowych do mierzenia statycznych sygnałów, np. niezmiennych pól magnetycznych, za pomocą schematów jednokrotnego lub wielokrotnego pomiaru, podczas gdy większość realnych zastosowań dotyczy tak naprawdę sygnałów zmieniających się dynamicznie w czasie.

Aby w przyszłości móc pozyskiwać i wydajnie interpretować dane napływające w czasie rzeczywistym, sensory kwantowe muszą pozwalać na ich stałe monitorowanie i ciągłą kontrolę z zastosowaniem zaawansowanych technik przetwarzania sygnałów. Dlatego kluczowy aspekt projektu C’MON-QSENS! stanowi jego interdyscyplinarny charakter. Choć ostatecznym celem projektu jest opracowanie sensorów opartych na ciepłych oparach atomowych i układach optomechanicznych, które operują w czasie rzeczywistym, będzie to możliwe jedynie dzięki współpracy pomiędzy czołowymi badaczami, eksperymentatorami i teoretykami, zajmującymi się optyką i informacją kwantową, ale i (klasycznymi) metodami wnioskowania statystycznego. W szczególności, jednym z ważnych celów projektu jest wypełnienie tej interdyscyplinarnej luki, tak aby nowatorskie techniki przetwarzania sygnałów mogły być włączone do repertuaru metrologii kwantowej. Z jednej strony, dzięki projektowi C’MON-QSENS! po raz pierwszy pokazane zostanie, że za pomocą sensorów kwantowych można realizować z jeszcze większą precyzją także zaawansowane zadania pomiarowe. Z drugiej strony, wyniki projektu pozwolą badaczom na głębsze zrozumienie problemów przetwarzania informacji kwantowej w czasie rzeczywistym i opracowanie praktycznych metod kwantowego przetwarzania sygnałów, pozwalających na wykorzystanie w pełni sensorów kwantowych monitorowanych w sposób ciągły.

Podsumowując, projekt C’MON-QSENS! pozwoli na poszerzenie granic wiedzy, zarówno w ramach badań podstawowych, jak i stosowanych, na temat układów kwantowych monitorowanych w czasie rzeczywistym, poprzez realizację następujących trzech kluczowych zadań:

A. Skonstruowaniu zaawansowanych modeli dynamicznych, które pozwolą na dokładny opis sensorów kwantowych działających w sposób ciągły, w tym odpowiednich mechanizmów: dekoherencji, nieliniowości, źródeł szumu stochastycznego, jak i kwantowego pomiaru zmieniającego aktywnie dynamikę sensora w czasie rzeczywistym.

B. Opracowaniu: (i) metod przetwarzania sygnałów i wnioskowania statystycznego (filtrowania bayesowskiego, próbkowania oszczędnego, czy też analizy sekwencyjnej) dla zadań, w których, zarówno sensor kwantowy, jak i dynamika sygnału, posiadają dobrze określony model; (ii) bezmodelowe techniki posiłkujące się uczeniem maszynowym dla praktycznych zastosowań, gdy poziom szumów i nieznana dynamika uniemożliwiają dokładny opis.

C. Zbudowaniu sensorów kwantowych wykorzystujących ciepłe pary atomowe i układy optomechaniczne, które monitorowane są w czasie rzeczywistym za pomocą światła. W konsekwencji zweryfikowanie w praktyce zaawansowanych metod przetwarzania sygnałów („waveform estimation”, „model selection”, „anomaly/change-point detection”), a w szczególności zoptymalizowanie działania poszczególnych sensorów do mierzenia w czasie rzeczywistym dobrze umotywowanych sygnałów magnetycznych (magnetometria neuronu, mózgu czy serca) lub przyspieszenia (akcelerometria).