La tomografía de espín nuclear es una aplicación en medicina. El paciente absorbe y reemite radiación electromagnética en todas las direcciones, que se detecta y reconstruye como imágenes en 3-D o imágenes de corte en 2-D. En un laboratorio de ciencias fundamentales, La tomografía de estado cuántico es el proceso de caracterizar completamente el estado cuántico de un objeto tal como lo emite su fuente. antes de que tenga lugar una posible medición o interacción con el medio ambiente.

Esta técnica se ha convertido en una herramienta esencial en el campo emergente de las tecnologías cuánticas. El marco teórico de la tomografía de estado cuántico se remonta a la década de 1970. Sus implementaciones experimentales se llevan a cabo hoy en día de forma rutinaria en una amplia variedad de sistemas cuánticos. El principio básico de la tomografía de estado cuántico es realizar repetidamente mediciones desde diferentes direcciones espaciales en sistemas cuánticos para identificar de forma única el estado cuántico del sistema. Esto requiere mucho procesamiento posterior computacional de los datos medidos para deducir el estado cuántico inicial de los resultados de medición observados.

Como consecuencia, en 2011, una novela, Se estableció un método tomográfico más directo para determinar el estado cuántico sin necesidad de posprocesamiento. Sin embargo, Ese nuevo método tenía un gran inconveniente:utiliza medidas mínimamente perturbadoras, las llamadas mediciones débiles, para determinar el estado cuántico del sistema. La idea básica detrás de las mediciones débiles es obtener muy poca información sobre el sistema observado manteniendo insignificante la perturbación del proceso de medición. Generalmente, hacer una medición tiene un gran impacto en un sistema cuántico, provocando que fenómenos cuánticos como el entrelazamiento o la interferencia desaparezcan irremediablemente.

Dado que la cantidad de información obtenida a través de este procedimiento es muy pequeña, las mediciones deben repetirse varias veces, una gran desventaja de este procedimiento de medición en aplicaciones prácticas. Un equipo de investigación del Instituto de Física Atómica y Subatómica de TU Wien encabezado por Stephan Sponar ha logrado combinar estos dos métodos. "Pudimos desarrollar aún más el método establecido para que la necesidad de mediciones débiles se vuelva obsoleta. Por lo tanto, pudimos integrar lo habitual, las llamadas medidas fuertes, en el procedimiento de medición directa del estado cuántico. Como consecuencia, es posible determinar el estado cuántico con mayor precisión y exactitud en un tiempo mucho más corto en comparación con el enfoque con mediciones débiles:un avance tremendo, ", explica Tobias Denkmayr, primer autor del artículo. Estos resultados ya se han publicado en la revista Cartas de revisión física .

Interferometría de neutrones:el nuevo método de elección

Sponar y su equipo llevaron a cabo una prueba experimental del nuevo esquema en un experimento de interferometría de neutrones. Se basa en la naturaleza ondulatoria de los neutrones, que son componentes nucleares masivos que forman casi dos tercios del universo. Sin embargo, si están aislados del núcleo atómico, por ejemplo, en el proceso de fisión de un reactor de investigación, se comportan como ondas. Este fenómeno generalmente se conoce como dualidad onda-partícula, que se explica en el marco de la mecánica cuántica. Dentro del interferómetro, un haz incidente se divide en dos haces separados por un delgado, placa de cristal de silicona perfecta. Los rayos viajan por diferentes caminos en el espacio, y en algún momento se recombinan y se les permite interferir. El experimento se realizó en la fuente de neutrones del Institut Laue-Langevin (ILL) en Grenoble, donde el grupo del Instituto de Física Atómica y Subatómica está a cargo de un puerto de haz permanente.

Es importante señalar que los resultados no se limitan al sistema cuántico formado por neutrones individuales, pero son, De hecho, completamente general. Por lo tanto, se pueden aplicar a muchos otros sistemas cuánticos como los fotones, iones atrapados o qubits superconductores. Los resultados pueden tener un gran impacto en cómo se realiza la estimación del estado cuántico en el futuro y podrían explotarse en las tecnologías de rápida evolución aplicadas en la ciencia de la información cuántica.