Un equipo internacional de físicos en ETH Zurich, Universidad Aalto, el Instituto de Física y Tecnología de Moscú, y el Instituto Landau de Física Teórica en Moscú ha demostrado que los algoritmos y el hardware desarrollados originalmente en el contexto de la computación cuántica se pueden aprovechar para la detección de campos magnéticos mejorada cuánticamente.

El campo de la ciencia y la tecnología cuánticas experimenta una ráfaga de actividad cada vez más intensa. Los titulares actualmente están dominados por informes sobre el progreso hacia la construcción de computadoras cuánticas que superan a sus contrapartes clásicas en tareas computacionales específicas. Un desafío clave en esa búsqueda es aumentar la calidad y la cantidad de bloques de construcción básicos, conocidos como bits cuánticos, o qubits, que se pueden conectar para realizar cálculos cuánticos colectivamente. El punto de referencia donde se espera que surja una 'ventaja cuántica' es de 50 qubits aproximadamente, y ese objetivo está saliendo a la vista. Siguiendo una ruta diferente, un equipo que incluye a los físicos de ETH Andrey Lebedev y Gianni Blatter, junto con colegas en Finlandia y Rusia, destacar otra rama de la tecnología donde los dispositivos cuánticos prometen beneficios únicos, y eso con recursos de hardware considerablemente más modestos. Escribiendo en el diario npj Información cuántica , el equipo presenta experimentos en los que utilizaron un solo qubit para medir campos magnéticos con alta sensibilidad, empleando 'trucos cuánticos' para empujar los límites.

En su trabajo, el equipo utilizó un qubit basado en un circuito superconductor. El llamado qubit transmon es actualmente uno de los principales candidatos para un bloque de construcción de computadoras cuánticas a gran escala, ya que ofrece flexibilidad para diseñar los circuitos de manera que se adapten al problema en cuestión. Investigadores de la Universidad Aalto (Finlandia) han construido un qubit transmon en una configuración que lo hace particularmente adecuado para detectar campos magnéticos. En esencia, construyeron un átomo artificial con un momento magnético intrínseco de alrededor de 100, 000 veces más grande que el de los átomos o iones naturales. El acoplamiento de ese gran momento a un campo magnético externo permite medir con precisión la fuerza del campo.

Además de proporcionar un fuerte acoplamiento a un campo magnético, el qubit transmon tiene una propiedad definitoria de un sistema cuántico en oferta:superposiciones coherentes de estados cuánticos. En un magnetómetro basado en qubit, la coherencia entre dos estados oscila a una frecuencia proporcional al campo magnético que penetra en el dispositivo. Y cuanto mayor sea la precisión con la que se pueda medir la frecuencia, o la velocidad a la que cambia la fase de la función de onda, cuanto mayor sea la sensibilidad del sensor.

Para maximizar la precisión de la medición, el equipo, guiado por el trabajo teórico realizado por Lebedev y Blatter en ETH Zurich y compañeros de trabajo en el Instituto de Física y Tecnología de Moscú (MITP) y el Instituto Landau de Física Teórica en Moscú, implementó dos esquemas de estimación de fase dedicados que explotan explícitamente la naturaleza coherente de la dinámica del qubit. Su estrategia es realizar las mediciones de manera adaptativa, cambiar los parámetros de muestreo en función del resultado de las mediciones de antecedentes. Tal "inferencia bayesiana" permitió al equipo alcanzar en sus experimentos una sensibilidad que es unas seis veces mayor que la que se puede lograr con la estimación de fase clásica. Y aunque todavía hay mucho espacio para el refinamiento, ese 'impulso cuántico' ya era suficiente para vencer el ruido del disparo, que limita la precisión de cualquier estándar, medida clásica.

Los algoritmos de estimación de fase utilizados en los experimentos de transmon son versiones adecuadamente adaptadas de esquemas que se han desarrollado para su uso en cálculos cuánticos. Similar, el diseño del hardware utilizado en estos experimentos se basa en la experiencia en la construcción de qubits para computadoras cuánticas. Esta combinación de aprovechar el hardware cuántico y los algoritmos cuánticos en el contexto de la detección cuántica proporciona una ruta atractiva hacia dispositivos novedosos que, por último, prometen impulsar la sensibilidad de los magnetómetros de uno o pocos qubit hacia y más allá de los límites de los sensores de campo magnético actuales.