Pesquisadores do Instituto de Física e Tecnologia de Moscou (MIPT), Aalto University na Finlândia, e a ETH Zurich demonstrou um dispositivo protótipo que usa efeitos quânticos e aprendizado de máquina para medir campos magnéticos com mais precisão do que seus análogos clássicos. Essas medições são necessárias para buscar depósitos minerais, descobrir objetos astronômicos distantes, diagnosticar distúrbios cerebrais, e criar melhores radares.

"Quando você estuda a natureza, quer você investigue o cérebro humano ou uma explosão de supernova, você sempre lida com algum tipo de sinal eletromagnético, "explica Andrey Lebedev, um co-autor do artigo que descreve o novo dispositivo em npj Quantum Information . "Portanto, medir os campos magnéticos é necessário em diversas áreas da ciência e tecnologia, e alguém gostaria de fazer isso com a maior precisão possível. "

O magnetômetro quântico oferece mais precisão

Um magnetômetro é um instrumento que mede campos magnéticos. Uma bússola é um exemplo de magnetômetro primitivo. Em uma loja de eletrônicos, pode-se encontrar dispositivos mais avançados desse tipo usados ​​por arqueólogos. Detectores de minas militares e detectores de metais em aeroportos também são magnetômetros.

Existe uma limitação fundamental na precisão de tais instrumentos, conhecido como o limite quântico padrão. Basicamente, diz que para dobrar a precisão, uma medição deve durar quatro vezes mais. Esta regra se aplica a qualquer dispositivo clássico, o que quer dizer que não utiliza os efeitos bizarros da física quântica.

"Pode parecer insignificante, mas para ganhar 1, 000 vezes em precisão, você teria que executar o experimento 1 milhão de vezes mais. Considerando que algumas medições levam semanas para começar, é provável que você tenha um corte de energia ou fique sem fundos antes que o experimento termine, "diz Lebedev, que é um dos principais pesquisadores do Laboratório de Física da Tecnologia da Informação Quântica, MIPT.

Alcançando uma maior precisão, e, portanto, tempos de medição mais curtos, é crucial quando amostras frágeis ou tecido vivo são examinados. Por exemplo, quando um paciente é submetido a tomografia por emissão de pósitrons, também conhecido como PET scan, traçadores radioativos são introduzidos na corrente sanguínea, e quanto mais sensível for o detector, quanto menor a dose necessária.

Em teoria, A tecnologia quântica permite que a precisão de uma medição seja duplicada, repetindo-a duas vezes em vez de quatro vezes, como no caso de um magnetômetro clássico. O artigo relatado nesta história detalha a primeira tentativa bem-sucedida de colocar esse princípio em prática usando um qubit supercondutor como dispositivo de medição.

Qubits medem campos magnéticos

Um qubit é uma partícula que obedece às leis da física quântica e pode ocupar dois estados básicos discretos simultaneamente no que é conhecido como uma superposição. Esta noção se refere a uma infinidade de estados "intermediários", cada um dos quais colapsa em um dos dois estados básicos assim que é medido. Um exemplo de qubit é um átomo de hidrogênio cujos dois estados básicos são o estado fundamental e o estado excitado.

No estudo de Lebedev e co-autores, o qubit foi realizado como um átomo artificial supercondutor, uma estrutura microscópica feita de finas películas de alumínio e depositada em um chip de silício mantido em uma geladeira potente. Em temperaturas próximas do zero absoluto, este dispositivo se comporta como um átomo. Em particular, absorvendo uma porção específica da radiação de microondas alimentada ao qubit por meio de um cabo, ele pode entrar em uma superposição equilibrada dos dois estados básicos. Se o estado do dispositivo for verificado, a medição detectará o solo e o estado excitado com uma probabilidade igual de 50 por cento.

Os qubits supercondutores são diferenciados por sua sensibilidade aos campos magnéticos, que pode ser usado para fazer medições. Uma vez que um pulso de radiação de microondas adequado é usado para conduzir o dispositivo a uma superposição equilibrada dos estados de solo e excitado, este novo estado começa a mudar previsivelmente com o tempo. Para rastrear essa mudança de estado, que é uma função do campo magnético externo, os pesquisadores enviaram um segundo pulso de microondas para o dispositivo após um breve atraso e mediram a probabilidade de encontrar o qubit no estado excitado. Esta probabilidade, que foi calculado sobre muitos experimentos idênticos realizados em rápida sucessão, indica a força do campo magnético. A precisão desta tecnologia quântica ultrapassa o limite quântico padrão.

Treinamento Qubit

"Um qubit físico real é imperfeito. É um dispositivo feito pelo homem, em vez de uma abstração matemática. Então, em vez de usar uma fórmula teórica, treinamos o qubit antes de fazer medições reais, "diz Lebedev." Esta é a primeira vez que o aprendizado de máquina foi aplicado a um magnetômetro quântico, " ele adiciona.

O treinamento Qubit consiste em fazer muitas medições preliminares sob condições controladas com atrasos pré-determinados entre os pulsos e em uma gama de campos magnéticos conhecidos. Os autores assim determinaram a probabilidade de detectar o estado excitado seguindo a sequência de dois pulsos para um campo arbitrário e retardo de pulso. Os pesquisadores traçaram suas descobertas em um diagrama, que serve como uma impressão digital para o dispositivo individual usado no estudo, contabilizando todas as suas imperfeições.

O ponto da impressão digital da amostra é que os tempos de atraso entre os pulsos podem ser otimizados durante medições repetidas. "Realizamos medições adaptativas, "diz Lebedev." Na primeira etapa, fazemos uma medição com um certo atraso entre os pulsos de micro-ondas. Então, dependendo do resultado, deixamos nosso algoritmo de reconhecimento de padrões decidir como definir o atraso para a próxima iteração. Isso resulta em uma maior precisão em menos medições. "

Qubits no laboratório, hospital, e o espaço sideral

Até aqui, o dispositivo protótipo e os qubits supercondutores funcionam apenas a cerca de 0,02 graus acima do zero absoluto, que é definido como -273,15 graus Celsius. "Isso é cerca de 15, 000 vezes mais frio do que a temperatura ambiente, "Lebedev aponta." Os engenheiros estão trabalhando para aumentar a temperatura de operação de tais dispositivos para 4 kelvins [-269 C]. Isso tornaria o resfriamento por hélio líquido viável, tornando a tecnologia comercialmente viável. "

O protótipo foi testado em um campo magnético estático, mas os campos variáveis ​​ou transitórios podem ser medidos da mesma maneira. A equipe de pesquisa já está realizando experimentos com campos variáveis, expandindo a gama potencial de aplicações de seu dispositivo.

Por exemplo, um magnetômetro quântico poderia ser montado em um satélite para observar fenômenos astronômicos tênues demais para instrumentos clássicos. Convenientemente, as condições geladas do espaço tornam o resfriamento um pouco menos problemático. Além do mais, um sistema de magnetômetros quânticos poderia funcionar como um radar ultrassensível. Outras aplicações de tais instrumentos não clássicos incluem varreduras de ressonância magnética, prospecção mineral, e pesquisa em estrutura de biomoléculas e materiais inorgânicos.

Como extrair informações sobre o campo externo de um qubit

Uma vez que o primeiro pulso de microondas é absorvido pelo magnetômetro, ele entra em uma superposição dos estados fundamental e excitado. Isso pode ser visualizado retratando os dois estados básicos do qubit como os dois pólos de uma esfera, onde cada outro ponto na esfera representa algum estado de superposição. Nesta analogia, o primeiro pulso direciona o estado do qubit do pólo norte - o estado fundamental - para algum ponto no equador (figura 2a). Uma medição direta desse estado de superposição equilibrada resultaria na detecção do estado fundamental ou excitado com chances iguais.

Seguindo o primeiro pulso, o qubit torna-se sensível ao campo externo. Isso se manifesta como uma mudança previsível do estado quântico do dispositivo. Pode ser representado como um ponto girando ao longo do equador de uma esfera (figura 2b). Quão rápido este ponto gira, depende da força do campo externo. Isso significa que, encontrando uma maneira de medir o ângulo de rotação X ao longo de um período de tempo conhecido, o campo pode ser quantificado.

O principal desafio é distinguir entre os diferentes estados do equador:a menos que algum truque seja usado, a medição retornaria o estado excitado exatamente 50 por cento das vezes. É por isso que os físicos enviaram um segundo pulso de microondas ao qubit e só então verificaram seu estado. A ideia por trás do segundo pulso é que ele desloca previsivelmente o estado do dispositivo para fora do equador, em um dos hemisférios. Agora, as chances de medir um estado excitado dependem de quanto o estado girou desde o primeiro pulso, isso é, ângulo X. Ao repetir a sequência de dois pulsos e uma medição muitas vezes, os autores calcularam a probabilidade de um estado excitado, e, portanto, o ângulo X e a intensidade do campo magnético. Este princípio é a base da operação de seu magnetômetro.