Квантовый шум — это случайные возмущения, воздействующие на квантовые системы.Квантовый шум — это случайные флуктуации, которые неизбежно воздействуют на квантовые системы, возникая как из-за дискретной природы квантовых частиц, так и из-за взаимодействия системы с её окружением. Этот шум — не просто помеха: он является фундаментальным свойством квантовой механики, устанавливая пределы точности измерений и вызывая декогеренцию. Однако в некоторых контекстах квантовый шум можно использовать: он может повышать чувствительность определённых датчиков или даже вызывать полезные эффекты, такие как стохастический резонанс.
Квантовый шум изучается с ранних дней квантовой механики, с ключевым вкладом принципа неопределённости Вернера Гейзенберга. Концепция квантового шума в усилителях была разработана в 1960-х годах, а его роль в квантовой информации стала заметной в 1990-х.
Квантовый шум проявляется несколькими способами. Дробовой шум возникает из-за дискретного прихода фотонов или электронов, вызывая случайные флуктуации в измерениях. Квантовый проекционный шум возникает при измерении суперпозиционного состояния, которое коллапсирует случайным образом. Шум окружения, такой как тепловые флуктуации или электромагнитные помехи, также возмущает квантовые системы. В квантовой метрологии шум устанавливает стандартный квантовый предел, но такие методы, как сжатый свет, позволяют уменьшить шум в одной переменной за счёт другой, преодолевая этот предел.
Квантовый шум является критическим фактором в квантовых вычислениях, где он ограничивает точность кубитов. В квантовых сенсорах понимание шума позволяет исследователям разрабатывать протоколы, устойчивые к нему, а в квантовом распределении ключей уровень шума контролируется для обнаружения подслушивающих.
В некоторых квантовых системах добавление небольшого количества шума может фактически улучшить отношение сигнала к шуму — это явление называется стохастическим резонансом, которое наблюдалось в квантовых датчиках и даже в биологических системах.
| S_I | переменная | спектральная плотность мощности шума тока — спектральная плотность мощности А²/Гц |
| e | переменная | элементарный заряд — элементарный заряд Кл |
| I | переменная | средний электрический ток — электрический ток А |
| P_signal | переменная | Мощность сигнальной составляющей — мощность Вт |
| P_noise | переменная | Мощность шумовой составляющей — мощность Вт |
| f | переменная | частота колебаний квантового поля — частота Гц |
| m | переменная | масса частицы, связанной с полем — масса кг |
| c | константа | универсальная постоянная, связывающая пространство и время в теории относительности — скорость света = 299792458 м/с |
| h | константа | фундаментальная постоянная, связывающая энергию и частоту в квантовой механике — постоянная Планка = 6.62607015e-34 Дж·с |
| t | переменная | Время измерения — время с |
| N | переменная | Число частиц или событий — число частиц |
| \propto | оператор | Обозначает пропорциональную зависимость — пропорциональность |
