Investigadores del Instituto de Física y Tecnología de Moscú (MIPT), Universidad Aalto en Finlandia, y ETH Zurich han demostrado un dispositivo prototipo que utiliza efectos cuánticos y aprendizaje automático para medir campos magnéticos con mayor precisión que sus análogos clásicos. Tales medidas son necesarias para buscar depósitos minerales, descubrir objetos astronómicos distantes, diagnosticar trastornos cerebrales, y crear mejores radares.

"Cuando estudias la naturaleza, ya sea que investigues el cerebro humano o una explosión de supernova, siempre te ocupas de algún tipo de señales electromagnéticas, "explica Andrey Lebedev, un coautor del artículo que describe el nuevo dispositivo en npj Información cuántica . "Por lo tanto, la medición de campos magnéticos es necesaria en diversas áreas de la ciencia y la tecnología, y uno querría hacer esto con la mayor precisión posible ".

El magnetómetro cuántico ofrece más precisión

Un magnetómetro es un instrumento que mide campos magnéticos. Una brújula es un ejemplo de magnetómetro primitivo. En una tienda de electrónica se pueden encontrar dispositivos más avanzados de este tipo utilizados por los arqueólogos. Los detectores de minas militares y los detectores de metales en los aeropuertos también son magnetómetros.

Existe una limitación fundamental en la precisión de tales instrumentos, conocido como el límite cuántico estándar. Básicamente, dice que para duplicar la precisión, una medición tiene que durar cuatro veces más. Esta regla se aplica a cualquier dispositivo clásico, es decir, uno que no utiliza los extraños efectos de la física cuántica.

"Puede parecer insignificante, pero para ganar 1, 000 veces en precisión, tendrías que ejecutar el experimento 1 millón de veces más. Teniendo en cuenta que algunas mediciones toman semanas para empezar, es probable que experimente un corte de energía o se quede sin fondos antes de que termine el experimento, "dice Lebedev, quien es un investigador líder en el Laboratorio de Física de la Tecnología de la Información Cuántica, MIPT.

Alcanzando una mayor precisión, y por lo tanto tiempos de medición más cortos, es crucial cuando se examinan muestras frágiles o tejido vivo. Por ejemplo, cuando un paciente se somete a una tomografía por emisión de positrones, también conocida como exploración PET, se introducen trazadores radiactivos en el torrente sanguíneo, y cuanto más sensible es el detector, cuanto menor sea la dosis necesaria.

En teoria, La tecnología cuántica permite duplicar la precisión de una medición repitiéndola dos veces en lugar de cuatro, como en el caso de un magnetómetro clásico. El artículo informado en esta historia detalla el primer intento exitoso de poner en práctica este principio utilizando un qubit superconductor como dispositivo de medición.

Los qubits miden campos magnéticos

Un qubit es una partícula que obedece a las leyes de la física cuántica y puede ocupar dos estados básicos discretos simultáneamente en lo que se conoce como superposición. Esta noción se refiere a una multitud de estados "intermedios", cada uno de los cuales colapsa en uno de los dos estados básicos tan pronto como se mide. Un ejemplo de un qubit es un átomo de hidrógeno cuyos dos estados básicos son el suelo y el estado excitado.

En el estudio de Lebedev y coautores, el qubit se realizó como un átomo artificial superconductor, una estructura microscópica hecha de películas delgadas de aluminio y depositada sobre un chip de silicio que se guarda en un potente frigorífico. A temperaturas cercanas al cero absoluto, este dispositivo se comporta como un átomo. En particular, absorbiendo una porción específica de radiación de microondas alimentada al qubit a través de un cable, puede entrar en una superposición equilibrada de los dos estados básicos. Si luego se verifica el estado del dispositivo, la medición detectará el suelo y el estado excitado con una probabilidad igual del 50 por ciento.

Los qubits superconductores se distinguen por su sensibilidad a los campos magnéticos, que se puede utilizar para realizar mediciones. Una vez que se utiliza un pulso de radiación de microondas adecuado para impulsar el dispositivo a una superposición equilibrada del suelo y los estados excitados, este nuevo estado comienza a cambiar de manera predecible con el tiempo. Para rastrear este cambio de estado, que es una función del campo magnético externo, los investigadores enviaron un segundo pulso de microondas al dispositivo después de un breve retraso y midieron la probabilidad de encontrar el qubit en el estado excitado. Esta probabilidad, que se calculó sobre muchos experimentos idénticos realizados en rápida sucesión, indica la fuerza del campo magnético. La precisión de esta tecnología cuántica supera el límite cuántico estándar.

Entrenamiento Qubit

"Un qubit físico real es imperfecto. Es un dispositivo hecho por el hombre, en lugar de una abstracción matemática. Entonces, en lugar de usar una fórmula teórica, entrenamos el qubit antes de realizar mediciones reales, ", dice Lebedev." Esta es la primera vez que se aplica el aprendizaje automático a un magnetómetro cuántico, " él añade.

El entrenamiento de Qubit consiste en realizar muchas mediciones preliminares en condiciones controladas con retrasos predeterminados entre pulsos y en un rango de campos magnéticos conocidos. De este modo, los autores determinaron la probabilidad de detectar el estado excitado siguiendo la secuencia de dos pulsos para un campo arbitrario y un retardo de pulso. Los investigadores trazaron sus hallazgos en un diagrama, que sirve como huella digital para el dispositivo individual utilizado en el estudio, teniendo en cuenta todas sus imperfecciones.

El punto de la huella dactilar de muestra es que los tiempos de retardo entre pulsos se pueden optimizar durante mediciones repetidas. "Realizamos mediciones adaptativas, "dice Lebedev." En el primer paso, tomamos una medida dado un cierto retraso entre los pulsos de microondas. Luego, dependiendo del resultado, dejamos que nuestro algoritmo de reconocimiento de patrones decida cómo establecer el retraso para la siguiente iteración. Esto da como resultado una mayor precisión en menos mediciones ".

Qubits en el laboratorio, hospital, y el espacio exterior

Hasta aquí, el dispositivo prototipo y los qubits superconductores funcionan solo a aproximadamente 0.02 grados por encima del cero absoluto, que se define como −273,15 grados Celsius. "Son unos 15, 000 veces más frío que la temperatura ambiente, "Señala Lebedev." Los ingenieros están trabajando para aumentar la temperatura de funcionamiento de tales dispositivos a 4 kelvin [−269 C]. Esto haría factible el enfriamiento con helio líquido, haciendo que la tecnología sea comercialmente viable ".

El prototipo ha sido probado en un campo magnético estático, pero los campos transitorios o variables en el tiempo se pueden medir de la misma manera. El equipo de investigación ya está realizando experimentos con campos variables, expandiendo la gama potencial de aplicaciones de su dispositivo.

Por ejemplo, Se podría montar un magnetómetro cuántico en un satélite para observar fenómenos astronómicos demasiado débiles para los instrumentos clásicos. Convenientemente, las gélidas condiciones del espacio hacen que el enfriamiento sea un problema algo menor. Además, un sistema de magnetómetros cuánticos podría funcionar como un radar ultrasensible. Otras aplicaciones de estos instrumentos no clásicos incluyen resonancias magnéticas, prospección de minerales, e investigación sobre estructura de biomoléculas y materiales inorgánicos.

Cómo extraer información sobre el campo externo de un qubit

Una vez que el magnetómetro absorbe el primer pulso de microondas, entra en una superposición del suelo y estados excitados. Esto se puede visualizar imaginando los dos estados básicos del qubit como los dos polos de una esfera, donde cada otro punto de la esfera representa algún estado de superposición. En esta analogía, el primer pulso impulsa el estado del qubit desde el polo norte, el estado fundamental, hasta algún punto del ecuador (figura 2a). Una medición directa de este estado de superposición equilibrada daría como resultado la detección del estado fundamental o excitado con probabilidades iguales.

Siguiendo el primer pulso, el qubit se vuelve sensible al campo externo. Esto se manifiesta como un cambio predecible del estado cuántico del dispositivo. Puede representarse como un punto que gira a lo largo del ecuador de una esfera (figura 2b). Qué tan rápido gira este punto, depende de la fuerza del campo externo. Esto significa que al encontrar una manera de medir el ángulo de rotación X durante un período de tiempo conocido, el campo se puede cuantificar.

El principal desafío es distinguir entre los diferentes estados del ecuador:a menos que se utilice algún truco, la medición devolvería el estado excitado exactamente el 50 por ciento de las veces. Es por eso que los físicos enviaron un segundo pulso de microondas al qubit y solo entonces verificaron su estado. La idea detrás del segundo pulso es que cambia predeciblemente el estado del dispositivo fuera del ecuador, en uno de los hemisferios. Ahora, las probabilidades de medir un estado excitado dependen de cuánto haya girado el estado desde el primer pulso, es decir, ángulo X. Repitiendo la secuencia de dos pulsos y una medición muchas veces, los autores calcularon la probabilidad de un estado excitado, y por tanto el ángulo X y la fuerza del campo magnético. Este principio es la base del funcionamiento de su magnetómetro.