Está bien establecido que la corrección de errores cuánticos puede mejorar el rendimiento de los sensores cuánticos. Pero el nuevo trabajo teórico advierte que, inesperadamente, el enfoque también puede dar lugar a resultados inexactos y engañosos, y muestra cómo rectificar estas deficiencias.

Los sistemas cuánticos pueden interactuar entre sí y con su entorno de maneras fundamentalmente diferentes a las de sus contrapartes clásicas. En un sensor cuántico, las particularidades de estas interacciones se explotan para obtener información característica sobre el entorno del sistema cuántico, por ejemplo, la fuerza de un campo magnético y eléctrico en el que está inmerso. De manera crucial, cuando un dispositivo de este tipo aprovecha adecuadamente las leyes de la mecánica cuántica, entonces su sensibilidad puede superar lo que es posible, incluso en principio, con las tecnologías clásicas convencionales.

Desafortunadamente, los sensores cuánticos son exquisitamente sensibles no solo a las cantidades físicas de interés, sino también al ruido. Una forma de suprimir estas contribuciones no deseadas es aplicar esquemas conocidos colectivamente como corrección de errores cuánticos (QEC). Este enfoque está atrayendo una atención considerable y creciente, ya que podría habilitar sensores cuánticos prácticos de alta precisión en una gama de aplicaciones más amplia de lo que es posible en la actualidad. Pero los beneficios de la detección cuántica con corrección de errores vienen con importantes efectos secundarios potenciales, como ha descubierto un equipo dirigido por Florentin Reiter, miembro de Ambizione de la Fundación Nacional de Ciencias de Suiza que trabaja en el grupo de Jonathan Home en el Instituto de Electrónica Cuántica. . Escribir en Cartas de revisión física , informan sobre un trabajo teórico en el que muestran que, en entornos realistas, QEC puede distorsionar la salida de los sensores cuánticos e incluso podría conducir a resultados no físicos. Pero no todo esta perdido; los investigadores también describen procedimientos sobre cómo restaurar los resultados correctos.

Desviarse del camino

Al aplicar QEC a la detección cuántica, los errores se corrigen repetidamente a medida que el sensor adquiere información sobre la cantidad objetivo. Como analogía, imagine un automóvil que sigue saliendo del centro del carril en el que viaja. En el caso ideal, la deriva se corrige con un contraviraje constante. En el escenario equivalente para la detección cuántica, se ha demostrado que mediante la corrección de errores constante, o muy frecuente, los efectos perjudiciales del ruido pueden suprimirse por completo, al menos en principio. La historia es bastante diferente cuando, por razones prácticas, el conductor puede realizar intervenciones correctivas con el volante solo en momentos específicos. Luego, como nos dice la experiencia, la secuencia de conducir y hacer movimientos correctivos debe ajustarse con precisión. Si la secuencia no importara, entonces el automovilista podría simplemente realizar todas las maniobras de dirección en casa en el garaje y luego pisar con confianza el acelerador. La razón por la que esto no funciona es que la rotación y la traslación no son conmutativas:el orden en que se ejecutan las acciones de un tipo u otro cambia el resultado.

Para los sensores cuánticos, puede surgir una situación algo similar con acciones que no conmutan, específicamente para la "acción de detección" y la "acción de error". El primero es descrito por el operador hamiltoniano del sensor, el segundo por operadores de error. Ahora, Ivan Rojkov, un investigador doctoral que trabaja en ETH con Reiter y con colaboradores del Instituto Tecnológico de Massachusetts (MIT), descubrió que la salida del sensor experimenta un sesgo sistemático, o "deriva", cuando hay un retraso entre un error y su posterior corrección. Dependiendo de la duración de este tiempo de retardo, la dinámica del sistema cuántico, que idealmente debería estar gobernada solo por el operador hamiltoniano, se contamina por la interferencia de los operadores de error. El resultado es que, durante el retraso, el sensor normalmente adquiere menos información sobre la cantidad de interés, como un campo magnético o eléctrico, en comparación con una situación en la que no se ha producido ningún error. Estas diferentes velocidades en la adquisición de información dan como resultado una distorsión de la salida.

Detección sensitiva

Este sesgo inducido por QEC es importante. Si no se tiene en cuenta, entonces, por ejemplo, las estimaciones de la señal mínima que el sensor cuántico puede detectar podrían terminar siendo demasiado optimistas, como Rojkov et al. mostrar. Para los experimentos que superan los límites de la precisión, estas estimaciones erróneas son particularmente engañosas. Pero el equipo también proporciona una vía de escape para superar el sesgo. La cantidad de sesgo introducido por el QEC de tasa finita se puede calcular y, mediante las medidas apropiadas, se puede rectificar en el posprocesamiento, de modo que la salida del sensor vuelva a tener perfecto sentido. Además, tener en cuenta que el QEC puede dar lugar a cambios sistemáticos puede ayudar a diseñar el protocolo de detección ideal antes de la medición.

Dado que el efecto identificado en este trabajo está presente en varios esquemas comunes de detección cuántica con corrección de errores, estos resultados están configurados para proporcionar una contribución importante para ajustar la precisión más alta de una amplia gama de sensores cuánticos, y mantenerlos en camino para entregar en su promesa de llevarnos a regímenes que no pueden ser explorados con sensores clásicos. + Explora más

Los sistemas cuánticos se corrigen solos