Uma equipe internacional de físicos da ETH Zurique, Aalto University, o Instituto de Física e Tecnologia de Moscou, e o Instituto Landau de Física Teórica, em Moscou, demonstrou que algoritmos e hardware desenvolvidos originalmente no contexto da computação quântica podem ser aproveitados para a detecção aprimorada de campos magnéticos quânticos.

O campo da ciência e tecnologia quântica experimenta uma onda de atividade cada vez mais intensa. As manchetes são atualmente dominadas por relatórios sobre o progresso na construção de computadores quânticos que superam suas contrapartes clássicas em tarefas computacionais específicas. Um desafio fundamental nessa busca é aumentar a qualidade e o número de blocos de construção básicos - conhecidos como bits quânticos, ou qubits - que podem ser conectados para realizar cálculos quânticos coletivamente. O benchmark onde se espera que surja uma 'vantagem quântica' está em cerca de 50 qubits, e esse objetivo está aparecendo. Seguindo uma rota diferente, uma equipe que inclui os físicos da ETH, Andrey Lebedev e Gianni Blatter, junto com colegas na Finlândia e na Rússia, destacam outro ramo da tecnologia onde os dispositivos quânticos prometem benefícios exclusivos, e isso com recursos de hardware consideravelmente mais modestos. Escrevendo no jornal npj Quantum Information , a equipe apresenta experimentos nos quais eles usaram um único qubit para medir campos magnéticos com alta sensibilidade, empregando 'truques quânticos' para ultrapassar os limites.

Em seu trabalho, a equipe usou um qubit baseado em um circuito supercondutor. O chamado qubit transmon é atualmente um dos principais candidatos para um bloco de construção de computadores quânticos de grande escala, uma vez que oferece flexibilidade para a engenharia dos circuitos de forma adequada ao problema em questão. Pesquisadores da Aalto University (Finlândia) construíram um qubit transmon em uma configuração que o torna particularmente adequado para detectar campos magnéticos. Em essência, eles construíram um átomo artificial com um momento magnético intrínseco que é cerca de 100, 000 vezes maior do que os átomos ou íons naturais. O acoplamento desse grande momento a um campo magnético externo torna possível medir a intensidade do campo com precisão.

Além de fornecer um forte acoplamento a um campo magnético, o qubit transmon tem uma propriedade definidora de um sistema quântico em oferta:superposições coerentes de estados quânticos. Em um magnetômetro baseado em qubit, a coerência entre dois estados oscila em uma frequência proporcional ao campo magnético que penetra no dispositivo. E quanto maior a precisão com a qual a frequência - ou a taxa na qual a fase da função de onda muda - pode ser medida, quanto maior a sensibilidade do sensor.

Para maximizar a precisão da medição, O time, guiado pelo trabalho teórico realizado por Lebedev e Blatter na ETH Zurique e colegas de trabalho no Instituto de Física e Tecnologia de Moscou (MITP) e no Instituto Landau de Física Teórica em Moscou, implementou dois esquemas de estimativa de fase dedicados que exploram explicitamente a natureza coerente da dinâmica do qubit. A estratégia deles é realizar as medições de maneira adaptativa, alterar os parâmetros de amostragem dependendo do resultado das medições anteriores. Essa "inferência bayesiana" permitiu à equipe atingir em seus experimentos uma sensibilidade cerca de seis vezes maior do que a que pode ser alcançada com a estimativa de fase clássica. E embora ainda haja muito espaço para refinamento, que o 'aumento quântico' já foi suficiente para vencer o ruído do tiro, que limita a precisão de qualquer padrão, medição clássica.

Os algoritmos de estimativa de fase usados ​​nos experimentos transmon são versões adaptadas de esquemas que foram desenvolvidos para uso em cálculos quânticos. De forma similar, o design do hardware usado nesses experimentos baseia-se na experiência na construção de qubits para computadores quânticos. Esta combinação de aproveitamento de hardware quântico e algoritmos quânticos no contexto de detecção quântica fornece uma rota atraente para novos dispositivos que, em última análise, prometem empurrar a sensibilidade dos magnetômetros de um ou poucos qubit em direção e além dos limites dos sensores de campo magnético atuais.