Está bem estabelecido que a correção de erros quânticos pode melhorar o desempenho de sensores quânticos. Mas o novo trabalho teórico adverte que, inesperadamente, a abordagem também pode dar origem a resultados imprecisos e enganosos – e mostra como corrigir essas deficiências.
Os sistemas quânticos podem interagir uns com os outros e com seus arredores de maneiras fundamentalmente diferentes daquelas de suas contrapartes clássicas. Em um sensor quântico, as particularidades dessas interações são exploradas para obter informações características sobre o ambiente do sistema quântico – por exemplo, a força de um campo magnético e elétrico no qual está imerso. Fundamentalmente, quando tal dispositivo aproveita adequadamente as leis da mecânica quântica, sua sensibilidade pode superar o que é possível, mesmo em princípio, com tecnologias clássicas convencionais.

Infelizmente, os sensores quânticos são extremamente sensíveis não apenas às quantidades físicas de interesse, mas também ao ruído. Uma maneira de suprimir essas contribuições indesejadas é aplicar esquemas coletivamente conhecidos como correção de erros quânticos (QEC). Essa abordagem está atraindo atenção considerável e crescente, pois pode permitir sensores quânticos práticos de alta precisão em uma gama mais ampla de aplicações do que é possível hoje. Mas os benefícios da detecção quântica corrigida por erros vêm com grandes efeitos colaterais potenciais, como uma equipe liderada por Florentin Reiter, um membro da Ambizione da Fundação Nacional de Ciências da Suíça que trabalha no grupo de Jonathan Home no Instituto de Eletrônica Quântica, descobriu agora . Escrevendo em Cartas de Revisão Física , eles relatam um trabalho teórico no qual mostram que em configurações realistas o QEC pode distorcer a saída de sensores quânticos e pode até levar a resultados não físicos. Mas nem tudo está perdido; os pesquisadores também descrevem procedimentos sobre como restaurar os resultados corretos.

Desviando da pista

Ao aplicar QEC ao sensoriamento quântico, os erros são corrigidos repetidamente à medida que o sensor adquire informações sobre a quantidade alvo. Como analogia, imagine um carro que continua partindo do centro da pista em que trafega. No caso ideal, o desvio é corrigido por uma contraviragem constante. No cenário equivalente para detecção quântica, foi demonstrado que por correção de erro constante ou muito frequente, os efeitos prejudiciais do ruído podem ser completamente suprimidos, pelo menos em princípio. A história é bem diferente quando, por razões práticas, o motorista pode realizar intervenções corretivas com o volante apenas em momentos específicos. Então, como a experiência nos diz, a sequência de dirigir à frente e fazer movimentos corretivos deve ser afinada. Se a sequência não importasse, o motorista poderia simplesmente realizar todas as manobras de direção em casa na garagem e depois pisar no acelerador com confiança. A razão pela qual isso não funciona é que a rotação e a tradução não são comutativas - a ordem na qual as ações de um tipo ou de outro são executadas altera o resultado.

Para sensores quânticos, pode surgir uma situação semelhante com ações não-comutação, especificamente para a "ação de detecção" e a "ação de erro". O primeiro é descrito pelo operador hamiltoniano do sensor, o segundo pelos operadores de erro. Agora, Ivan Rojkov, pesquisador de doutorado que trabalha na ETH com Reiter e com colaboradores do Instituto de Tecnologia de Massachusetts (MIT), descobriu que a saída do sensor sofre um viés sistemático - ou "desvio" - quando há um atraso entre um erro e sua posterior correção. Dependendo da duração desse tempo de atraso, a dinâmica do sistema quântico, que idealmente deveria ser governada apenas pelo operador hamiltoniano, torna-se contaminada pela interferência dos operadores de erro. O resultado é que durante o atraso o sensor normalmente adquire menos informações sobre a quantidade de interesse, como um campo magnético ou elétrico, em comparação com uma situação em que nenhum erro ocorreu. Essas diferentes velocidades na aquisição de informações resultam em uma distorção da saída.

Sensorização sensível

Esse viés induzido por QEC é importante. Se não for contabilizado, então, por exemplo, as estimativas para o sinal mínimo que o sensor quântico pode detectar podem acabar sendo excessivamente otimistas, como Rojkov et al. mostrar. Para experimentos que ultrapassam os limites da precisão, essas estimativas erradas são particularmente enganosas. Mas a equipe também fornece uma rota de fuga para superar o preconceito. A quantidade de polarização introduzida pelo QEC de taxa finita pode ser calculada e, por meio de medidas apropriadas, pode ser retificada no pós-processamento, de modo que a saída do sensor faça novamente todo o sentido. Além disso, considerar que o QEC pode dar origem a mudanças sistemáticas pode ajudar a conceber o protocolo de detecção ideal antes da medição.

Dado que o efeito identificado neste trabalho está presente em vários esquemas comuns de detecção quântica corrigidos de erros, esses resultados são definidos para fornecer uma contribuição importante para ajustar a mais alta precisão de uma ampla faixa ou sensores quânticos e mantê-los no caminho certo para fornecer em sua promessa de nos levar a regimes que não podem ser explorados com sensores clássicos. + Explorar mais

Os sistemas quânticos se corrigem