Sensores cuánticos: mida con mayor precisión

Sensores cuánticos: mida con mayor precisión


23 de marzo de 2022

(Noticias de Nanowerk) Los relojes atómicos son los mejores sensores que la humanidad haya construido jamás. Hoy se pueden encontrar en institutos nacionales de normalización o satélites de sistemas de navegación. Científicos de todo el mundo están trabajando para optimizar aún más la precisión de estos relojes.

Un grupo de investigación dirigido por el teórico de Innsbruck Peter Zoller ha desarrollado ahora un nuevo concepto con el que los sensores pueden operarse con mayor precisión, independientemente de la plataforma técnica en la que se fabrique el sensor. átomos entrelazados Con sofisticados métodos de cálculo sobre átomos entrelazados, el tiempo podría determinarse con mayor precisión. (Imagen: Harald Ritsch, Universidad de Innsbruck)

«Respondemos a la pregunta de qué tan preciso puede ser un sensor con las opciones de control existentes y proporcionamos una receta de cómo esto puede tener éxito», explican Denis Vasilyev y Raphael Kaubrügger del grupo de Peter Zoller en el Instituto de Óptica Cuántica e Información Cuántica de Austria. Academia de Ciencias de Innsbruck.

Para ello, los físicos utilizan un método de procesamiento de información cuántica: los algoritmos cuánticos variables describen un circuito de puertas cuánticas que depende de parámetros libres. A través de rutinas de optimización, el sensor encuentra de forma independiente la mejor configuración para un resultado óptimo.

«Aplicamos esta técnica a un problema de metrología: la ciencia de la medición», explican Vasilyev y Kaubrügger.

«Esto es emocionante porque los avances en la física atómica históricamente fueron motivados por la metrología, que a su vez dio lugar al procesamiento de información cuántica. Aquí hemos cerrado el círculo”, dice contento Peter Zoller.

Con el nuevo enfoque, los científicos pueden optimizar los sensores cuánticos hasta el punto de lograr la mejor precisión posible que sea técnicamente permisible.

Mejores mediciones con poco esfuerzo adicional

Se sabe desde hace algún tiempo que los relojes atómicos podrían funcionar con mayor precisión explotando el entrelazamiento de la mecánica cuántica. Sin embargo, faltan métodos para implementar un entrelazamiento robusto para tales aplicaciones.

Los físicos de Innsbruck ahora están utilizando un entrelazamiento hecho a medida que se adapta con precisión a los requisitos del mundo real. Con su método, generan exactamente la combinación de estado cuántico y medidas que es óptima para cada sensor cuántico individual.

Como resultado, la precisión del sensor se puede acercar al óptimo posible de acuerdo con las leyes de la naturaleza con solo un pequeño esfuerzo adicional.

«Durante el desarrollo de las computadoras cuánticas, aprendimos a crear estados entrelazados a la medida», dice Christian Marciniak del Instituto de Física Experimental de la Universidad de Innsbruck. «Ahora estamos utilizando este conocimiento para construir mejores sensores».

Demostrar ventaja cuántica con sensores

Este concepto teórico se ha puesto ahora en práctica por primera vez en la Universidad de Innsbruck, como informa ahora el grupo de investigación dirigido por Thomas Monz y Rainer Blatt. naturaleza («Tecnología de medición óptima con sensores cuánticos programables»).

Los físicos llevaron a cabo mediciones de frecuencia en su computadora cuántica de trampa de iones basándose en cálculos cuánticos variacionales. Dado que las interacciones utilizadas en las trampas de iones lineales todavía son relativamente fáciles de simular en computadoras clásicas, los colegas teóricos pudieron verificar los parámetros necesarios en una supercomputadora de la Universidad de Innsbruck.

Aunque la configuración experimental no es perfecta, los resultados concuerdan sorprendentemente bien con los valores predichos teóricamente. Dado que tales simulaciones no se pueden realizar para todos los sensores, los científicos demostraron un segundo enfoque: utilizaron métodos para optimizar automáticamente los parámetros sin conocimiento previo.

«Al igual que el aprendizaje automático, la computadora cuántica programable, como un sensor de alta precisión, encuentra de forma independiente su modo óptimo», dice el físico experimental Thomas Feldker, al describir el mecanismo subyacente.

«Nuestro concepto permite demostrar la ventaja de las tecnologías cuánticas sobre las computadoras clásicas en un problema práctico», enfatiza Peter Zoller. «Con nuestra interferometría variacional de Ramsey, hemos demostrado un componente crucial de los relojes atómicos mejorados cuánticamente. El siguiente paso es ejecutar esto en un reloj atómico dedicado. Lo que hasta ahora solo se ha demostrado para cálculos de relevancia práctica cuestionable ahora podría demostrarse con un sensor cuántico programable en un futuro cercano: un salto cuántico”.



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