Pesquisadores do Instituto de Física e Tecnologia de Moscou, acompanhado por um colega do Laboratório Nacional de Argonne, NÓS., implementaram um algoritmo quântico avançado para medir quantidades físicas usando ferramentas ópticas simples. Publicado em Relatórios Científicos , seu estudo nos leva um passo mais perto de sensores baseados em ótica linear acessíveis com características de alto desempenho. Essas ferramentas são procuradas em diversos campos de pesquisa, da astronomia à biologia.

Maximizar a sensibilidade das ferramentas de medição é crucial para qualquer campo da ciência e tecnologia. Os astrônomos procuram detectar fenômenos cósmicos remotos, os biólogos precisam discernir estruturas orgânicas extremamente pequenas, e os engenheiros têm que medir as posições e velocidades dos objetos, para citar alguns exemplos.

Até recentemente, nenhuma ferramenta de medição pode garantir a precisão acima do chamado limite de ruído de tiro, que tem a ver com as características estatísticas inerentes às observações clássicas. A tecnologia quântica forneceu uma maneira de contornar isso, aumentando a precisão até o limite fundamental de Heisenberg, decorrentes dos princípios básicos da mecânica quântica. O experimento LIGO, que detectou ondas gravitacionais pela primeira vez em 2016, mostra que é possível alcançar a sensibilidade limitada por Heisenberg combinando esquemas complexos de interferência óptica e técnicas quânticas.

A metrologia quântica é uma área de ponta da física preocupada com as ferramentas tecnológicas e algorítmicas para fazer medições quânticas de alta precisão. Em seu estudo recente, a equipe do MIPT e ANL fundiu metrologia quântica com óptica linear.

"Nós planejamos e construímos um esquema óptico que executa o procedimento de estimativa de fase baseado na transformada de Fourier, "disse o co-autor do estudo Nikita Kirsanov do MIPT." Este procedimento está no cerne de muitos algoritmos quânticos, incluindo protocolos de medição de alta precisão. "

Um arranjo específico de um grande número de elementos ópticos lineares - divisores de feixe, deslocadores de fase, e espelhos - torna possível obter informações sobre os ângulos geométricos, posições, velocidades, bem como outros parâmetros de objetos físicos. A medição envolve a codificação da quantidade de interesse nas fases ópticas, que são então determinados diretamente.

"Esta pesquisa é uma continuação do nosso trabalho em algoritmos universais de medição quântica, "comentou o investigador principal Gordey Lesovik, que chefia o Laboratório de Física da Tecnologia da Informação Quântica do MIPT. "Em uma colaboração anterior com um grupo de pesquisa da Aalto University na Finlândia, implementamos experimentalmente um algoritmo de medição semelhante em qubits transmon. "

O experimento mostrou que, apesar do grande número de elementos ópticos no esquema, no entanto, é ajustável e controlável. De acordo com as estimativas teóricas fornecidas no artigo, as ferramentas de óptica linear são viáveis ​​para a implementação mesmo de operações consideravelmente mais complexas.

"O estudo demonstrou que a óptica linear oferece uma plataforma acessível e eficaz para a implementação de medições e cálculos quânticos em escala moderada, "disse Argonne Distinto Fellow Valerii Vinokur.