A tomografia de spin nuclear é uma aplicação na medicina. O paciente absorve e reemite radiação eletromagnética em todas as direções, que é detectado e reconstruído como imagens 3-D ou imagens de fatias 2-D. Em um laboratório de ciências fundamentais, tomografia de estado quântico é o processo de caracterizar completamente o estado quântico de um objeto conforme ele é emitido por sua fonte, antes que uma possível medição ou interação com o ambiente ocorra.

Esta técnica se tornou uma ferramenta essencial no campo emergente das tecnologias quânticas. O arcabouço teórico da tomografia de estado quântico data da década de 1970. Suas implementações experimentais são hoje rotineiramente realizadas em uma ampla variedade de sistemas quânticos. O princípio básico da tomografia de estado quântico é realizar repetidamente medições de diferentes direções espaciais em sistemas quânticos, a fim de identificar exclusivamente o estado quântico do sistema. Isso requer muito pós-processamento computacional dos dados medidos para deduzir o estado quântico inicial dos resultados de medição observados.

Consequentemente, em 2011, um romance, método tomográfico mais direto foi estabelecido para determinar o estado quântico sem a necessidade de pós-processamento. Contudo, esse novo método tinha uma grande desvantagem:ele usa medições minimamente perturbadoras, as chamadas medições fracas, para determinar o estado quântico do sistema. A ideia básica por trás das medições fracas é obter muito pouca informação sobre o sistema observado, mantendo a perturbação do processo de medição desprezível. Usualmente, fazer uma medição tem um grande impacto em um sistema quântico, fazendo com que fenômenos quânticos como emaranhamento ou interferência desapareçam irremediavelmente.

Como a quantidade de informações obtidas por meio desse procedimento é muito pequena, as medições devem ser repetidas várias vezes - uma grande desvantagem desse procedimento de medição em aplicações práticas. Uma equipe de pesquisa do Instituto de Física Atômica e Subatômica da TU Wien liderada por Stephan Sponar conseguiu combinar esses dois métodos. “Fomos capazes de desenvolver ainda mais o método estabelecido para que a necessidade de medições fracas se tornasse obsoleta. fomos capazes de integrar o normal, as chamadas medições fortes, no procedimento de medição direta do estado quântico. Consequentemente, é possível determinar o estado quântico com maior precisão e exatidão em um tempo muito mais curto em comparação com a abordagem com medições fracas - um tremendo avanço, ", explica Tobias Denkmayr o primeiro autor do artigo. Esses resultados já foram publicados na revista Cartas de revisão física .

Interferometria de nêutrons - o novo método de escolha

Um teste experimental do novo esquema em um experimento interferométrico de nêutrons foi realizado por Sponar e sua equipe. É baseado na natureza ondulatória dos nêutrons, que são constituintes nucleares massivos que formam quase dois terços do universo. No entanto, se eles estão isolados do núcleo atômico, por exemplo, no processo de fissão de um reator de pesquisa - eles se comportam como ondas. Este fenômeno é geralmente conhecido como dualidade onda-partícula, que é explicado no quadro da mecânica quântica. Dentro do interferômetro, um feixe incidente é dividido em dois feixes separados por um placa de cristal de silício perfeita. Os feixes viajam por diferentes caminhos no espaço, e em algum ponto são recombinados e podem interferir. O experimento foi feito na fonte de nêutrons no Institut Laue-Langevin (ILL) em Grenoble, onde o grupo do Instituto de Física Atômica e Subatômica é responsável por uma porta de feixe permanente.

É importante notar que os resultados não se limitam ao sistema quântico formado por nêutrons únicos, mas são, na verdade, completamente geral. Portanto, eles podem ser aplicados a muitos outros sistemas quânticos, como fótons, íons presos ou qubits supercondutores. Os resultados podem ter um grande impacto sobre como a estimativa do estado quântico é realizada no futuro e podem ser explorados nas tecnologias de rápida evolução aplicadas na ciência da informação quântica.