Un nuevo método identifica la medición más sensible que se puede realizar utilizando un estado cuántico determinado, conocimiento clave para diseñar sensores cuánticos mejorados

Por: Berihu Teklu-Departamento de Matemáticas, Universidad Khalifa de Ciencia y Tecnología, Abu Dhabi, EAU

(Physics)-Un sensor cuántico es un dispositivo que puede aprovechar comportamientos cuánticos, como el entrelazamiento cuántico, la coherencia y la superposición, para mejorar las capacidades de medición de un detector clásico [ 1 – 5 ]. Por ejemplo, el detector de ondas gravitacionales LIGO emplea estados de luz entrelazados para mejorar las capacidades de medición de distancias de sus brazos de interferómetro, permitiendo la detección de cambios de distancia 10.000 veces más pequeños que el ancho de un protón. Normalmente, los sensores cuánticos utilizan sistemas preparados en estados cuánticos especiales conocidos como estados sonda. Encontrar el estado ideal de la sonda para una medición determinada es el objetivo de muchos esfuerzos de investigación. Ahora Jarrod Reilly de la Universidad de Colorado Boulder y sus colegas han desarrollado un nuevo marco para optimizar esta búsqueda [ 6 ]. El enfoque podría ayudar a desarrollar sensores cuánticos que superen el límite cuántico estándar (el nivel mínimo de ruido de un dispositivo que se puede obtener sin una preparación especial del estado cuántico) y, por lo tanto, podría aumentar drásticamente la sensibilidad de la medición [7 – 9 ] .

Las capacidades de los sensores cuánticos se están expandiendo rápidamente y cada vez más encuentran su camino desde los laboratorios al mundo real. Como tal, la tecnología está preparada para desempeñar un papel importante en innumerables campos. Los sensores cuánticos pueden detectar parámetros que van desde campos magnéticos hasta temperaturas, y se espera que mejoren la sensibilidad de dispositivos que incluyen detectores de fotón único; detectores de imágenes, detección y alcance (lidar) láser; y relojes atómicos, que son fundamentales para los sistemas de posicionamiento global.

En muchos dispositivos, el sensor cuántico desempeña un papel crucial en la estimación de parámetros. Generalmente, la estimación de parámetros cuánticos consta de tres pasos: primero, el sistema cuántico, como un qubit o una colección de qubits, se prepara en su estado de sonda óptimo. En segundo lugar, el estado de la sonda sufre una evolución unitaria, un paso también conocido como evolución cuántica. Esta evolución unitaria puede considerarse como un «ajuste de sensibilidad» donde el estado de la sonda cambia según el

valor del parámetro de interés. Por lo tanto, este paso codifica información sobre el parámetro en el estado de sonda. En tercer lugar, se ejecuta una medición óptima y se extrae información sobre el parámetro.

Cómo encontrar el estado óptimo de la sonda para un sistema o parámetro de interés específico es un problema en el que la comunidad de sensores cuánticos se está centrando cada vez más. Para un sensor cuántico determinado, la decisión de qué estado de sonda utilizar generalmente se realiza buscando el estado con la información cuántica máxima de Fisher (QFI). QFI es el análogo cuántico de la información de Fisher, que mide la información que algunos observables transportan sobre algún parámetro desconocido. El QFI del estado de una sonda cuántica evalúa su sensibilidad a las variaciones en el parámetro de interés y, por lo tanto, se considera un indicador clave de la confiabilidad de ese estado cuando se usa en un sensor cuántico. Cuanto mayor sea el QFI del estado de una sonda, más precisa debe ser la medición del parámetro de interés.

El método de Reilly y sus colegas le da la vuelta al protocolo de búsqueda. En lugar de buscar el mejor estado de sonda para una medición determinada, su marco encuentra la mejor medición para un estado de sonda determinado. Este enfoque, que también utiliza QFI, les permite evaluar todo el potencial de un estado de sonda determinado para todas las aplicaciones de detección cuántica. En su enfoque, los investigadores toman su estado de investigación. Luego determinan su matriz QFI (QFIM). Al diagonalizar esa matriz, muestran que pueden identificar el generador óptimo para ese estado de sonda para un propósito específico de detección cuántica. Por lo tanto, se puede pensar en el generador como la medición específica u operación cuántica que, cuando se aplica a un estado de sonda cuántica, maximizará los parámetros de precisión de estimación relacionados con el sistema que se está midiendo.

Para comprender más ampliamente cómo funciona el método, considere el problema de tratar de encontrar la ruta más larga que puede recorrer una bola que rueda cuesta abajo en un período de tiempo fijo. En el mundo clásico, la respuesta es simple: el camino trazará la ruta con las pendientes más pronunciadas, por lo que la búsqueda requiere encontrar ese camino. En el mundo cuántico, la respuesta es más compleja. Las colinas cuánticas existen en enormes cantidades de dimensiones, lo que hace que las búsquedas de fuerza bruta sean intratables. Pero el método de Reilly y sus colegas sigue una idea similar a la clásica: encuentra alguna trayectoria óptima del estado de la sonda a través del espacio y el tiempo de una manera que recuerda cómo la relatividad general clásica puede predecir trayectorias de luz al encontrar trayectorias óptimas a través del espacio-tiempo curvo. . Utilizando conceptos geométricos, determinan qué transformaciones hacen que un sistema cuántico entrelazado específico evolucione de forma más rápida y, por tanto, a qué parámetros es más sensible el estado.

Además de mejorar los sensores cuánticos actuales, el método de Reilly y sus colegas tiene el potencial de abrir la puerta al uso de sensores cuánticos para la estimación multiparamétrica, necesaria en muchas aplicaciones de metrología e imágenes. Su propuesta introduce una perspectiva novedosa sobre la detección cuántica al enfatizar la importancia de las mediciones de alta precisión para elegir el generador adecuado para un estado cuántico determinado. La investigación y el desarrollo en esta área probablemente conducirán a avances innovadores en los próximos años, impulsando avances en la tecnología cuántica y en nuestra comprensión de la mecánica cuántica.

 

Referencias

SL Braunstein y CM Caves, “Distancia estadística y geometría de los estados cuánticos”, Phys. Rev. Lett. 72 (1994) .

MGA Paris, “Estimación cuántica para tecnología cuántica”, Int. J. Información cuántica. 07 , 125 (2009) .

V.Giovannetti et al. , “Metrología cuántica”, Phys. Rev. Lett. 96 (2006) .

V.Giovannetti et al. , “Avances en metrología cuántica”, Nature Photon 5 (2011) .

V.Giovannetti et al. , “Medidas mejoradas cuánticamente: superando el límite cuántico estándar”, Science 306 (2004) .

JT Reilly et al. , “Generadores óptimos para la detección cuántica”, Phys. Rev. Lett. 131 , 150802 (2023) .

  1. Teklu y col. , “Estimación bayesiana de puertas qubit de un parámetro”, J. Phys. Murciélago. Mol. Optar. Física. 42 (2009) .
  2. Brivio et al. , “Estimación experimental de puertas de qubit de un parámetro en presencia de difusión de fase”, Phys. Rev.A 81 (2010) .

MG Genoni et al. , “Estimación de fase óptica en presencia de difusión de fase”, Phys. Rev. Lett. 106 (2011) .