Os relógios atômicos são os melhores sensores que a humanidade já construiu. Hoje, eles podem ser encontrados em institutos nacionais de normalização ou satélites de sistemas de navegação. Cientistas de todo o mundo estão trabalhando para otimizar ainda mais a precisão desses relógios. Agora, um grupo de pesquisa liderado por Peter Zoller, um teórico de Innsbruck, na Áustria, desenvolveu um novo conceito que pode ser usado para operar sensores com precisão ainda maior, independentemente de qual plataforma técnica é usada para fazer o sensor. "Respondemos à questão de quão preciso um sensor pode ser com os recursos de controle existentes e fornecemos uma receita de como isso pode ser alcançado", explicam Denis Vasilyev e Raphael Kaubrügger do grupo de Peter Zoller no Instituto de Óptica Quântica e Informação Quântica da Academia Austríaca de Ciências em Innsbruck.
Para isso, os físicos usam um método de processamento de informações quânticas:algoritmos quânticos variacionais descrevem um circuito de portas quânticas que depende de parâmetros livres. Por meio de rotinas de otimização, o sensor encontra de forma autônoma as melhores configurações para um resultado ideal. "Aplicamos essa técnica a um problema da metrologia - a ciência da medição", explicam Vasilyev e Kaubrügger. "Isso é emocionante porque historicamente os avanços na física atômica foram motivados pela metrologia e, por sua vez, o processamento de informações quânticas emergiu disso. Então, fechamos o círculo aqui", diz Peter Zoller. Com a nova abordagem, os cientistas podem otimizar os sensores quânticos até o ponto em que atingem a melhor precisão possível tecnicamente permitida.

Medidas melhores com pouco esforço extra

Por algum tempo, entendeu-se que os relógios atômicos poderiam funcionar com ainda mais precisão explorando o emaranhamento da mecânica quântica. No entanto, tem havido uma falta de métodos para realizar emaranhamento robusto para tais aplicações. Os físicos de Innsbruck agora estão usando um emaranhamento feito sob medida que é ajustado com precisão aos requisitos do mundo real. Com seu método, eles geram exatamente a combinação que consiste em estado quântico e medições ideais para cada sensor quântico individual. Isso permite que a precisão do sensor seja aproximada do melhor possível de acordo com as leis da natureza, com apenas um pequeno aumento na sobrecarga. "No desenvolvimento de computadores quânticos, aprendemos a criar estados emaranhados personalizados", diz Christian Marciniak, do Departamento de Física Experimental da Universidade de Innsbruck. "Agora estamos usando esse conhecimento para construir sensores melhores."

Demonstrando vantagem quântica com sensores

Este conceito teórico foi agora implementado na prática pela primeira vez na Universidade de Innsbruck, como o grupo de pesquisa liderado por Thomas Monz e Rainer Blatt agora relatou em Nature . Os físicos realizaram medições de frequência com base em cálculos quânticos variacionais em seu computador quântico de armadilha de íons. Como as interações usadas em armadilhas de íons lineares ainda são relativamente fáceis de simular em computadores clássicos, os colegas da teoria conseguiram verificar os parâmetros necessários em um supercomputador da Universidade de Innsbruck. Embora a configuração experimental não seja perfeita, os resultados concordam surpreendentemente bem com os valores teoricamente previstos. Como essas simulações não são viáveis ​​para todos os sensores, os cientistas demonstraram uma segunda abordagem:usaram métodos para otimizar automaticamente os parâmetros sem conhecimento prévio. “Semelhante ao aprendizado de máquina, o computador quântico programável encontra seu modo ideal de forma autônoma como um sensor de alta precisão”, diz o físico experimental Thomas Feldker, descrevendo o mecanismo subjacente.

"Nosso conceito permite demonstrar a vantagem das tecnologias quânticas sobre os computadores clássicos em um problema de relevância prática", enfatiza Peter Zoller. "Nós demonstramos um componente crucial de relógios atômicos quânticos aprimorados com nossa interferometria de Ramsey variacional. Executando isso em um relógio atômico dedicado é o próximo passo. O que até agora só foi mostrado para cálculos de relevância prática questionável agora pode ser demonstrado com um sensor quântico programável em um futuro próximo - vantagem quântica."

Os resultados foram publicados nas revistas Nature e Revisão Física X. + Explorar mais

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