Investigadores de la Universidad Estatal de Carolina del Norte y el Instituto Tecnológico de Massachusetts han diseñado un protocolo para aprovechar el poder de los sensores cuánticos. El protocolo podría brindar a los diseñadores de sensores la capacidad de ajustar los sistemas cuánticos para detectar señales de interés, creando sensores que son mucho más sensibles que los sensores tradicionales.
“La detección cuántica muestra la promesa de capacidades de detección más poderosas que pueden acercarse a los límites fundamentales establecidos por las leyes de la mecánica cuántica, pero el desafío puede ser poder dirigir estos sensores para encontrar las señales que queremos”, dijo Yuan Liu, asistente profesor. Autor correspondiente de ingeniería eléctrica e informática e informática e investigación en NC State. Liu fue anteriormente investigador postdoctoral en el MIT.
“Nuestro concepto se inspiró en los principios clásicos de diseño de filtros de procesamiento de señales que utilizan habitualmente los ingenieros eléctricos”, dijo Liu. “Hemos generalizado estos diseños de filtros a sistemas de detección cuántica, lo que nos permite ‘afinar’ lo que es esencialmente un sistema cuántico de dimensión infinita conectándolo a un sistema cuántico simple de dos niveles”.
Específicamente, los investigadores diseñaron un marco algorítmico que acopla un qubit a un oscilador bosónico. Los qubits, o bits cuánticos, son la contraparte de los bits en la computación clásica: almacenan información cuántica y pueden existir en una superposición de solo dos estados fundamentales: ├ |0⟩, ├ |1⟩. Los osciladores bosónicos son análogos cuánticos de los osciladores clásicos (piense en el movimiento de un péndulo) y comparten las mismas propiedades que los osciladores clásicos, pero sus estados no se limitan a una combinación lineal de dos estados básicos: son sistemas de dimensión infinita. .
“Manipular el estado cuántico de un sensor de dimensión infinita es complicado, por lo que comenzamos simplificando la cuestión”, dijo Liu. “En lugar de intentar cuantificar nuestros objetivos, simplemente hacemos una pregunta de decisión: ¿tiene el objetivo la propiedad X? Entonces podemos diseñar la manipulación del oscilador para reflejar esa pregunta”.
Al acoplar el sensor de dimensión infinita a un qubit bidimensional y manipular ese acoplamiento, el sensor se puede acoplar a la señal de interés. La interferometría se utiliza para codificar los resultados en estados de qubit que luego se miden para su lectura.
“Este acoplamiento nos da un control sobre el oscilador bosónico, por lo que podemos usar una función polinómica (la matemática que describe las formas de onda) para diseñar la función de onda del oscilador para que adopte una forma específica, acoplando así el sensor al objetivo de interés. “, dijo Liu.
“Una vez que se produce la señal, deshacemos la configuración, lo que crea interferencia en el sistema de dimensión infinita que regresa como un resultado legible (una función polinómica determinada por el oscilador y la transformación polinómica original de la señal subyacente) en dos de los qubits En otras palabras, terminamos con una respuesta de “sí” o “no” a la pregunta de si lo que estamos buscando está ahí, y la mejor parte es que solo necesitamos medir el qubit una vez. para obtener una respuesta, es una medición de ‘un solo disparo'”.
Los investigadores consideran que el trabajo proporciona un marco general para diseñar protocolos de detección cuántica para varios sensores cuánticos.
“Nuestro trabajo es útil porque utiliza recursos cuánticos fácilmente disponibles en hardware cuántico de vanguardia (incluidos iones atrapados, plataformas superconductoras y átomos neutros) de una manera bastante simple”, dijo Liu. “Este método actúa como una alarma o indicador de que hay una señal, sin necesidad de costosas mediciones repetidas. Es una forma poderosa de extraer información funcional de un sistema de dimensiones infinitas”.
El trabajo aparece en Quantum y fue apoyado por la Oficina de Investigación del Ejército con el número de proyecto W911NF-17-1-0481 y por el Departamento de Energía de EE. UU. con el número de contrato DE-SC0012704. Jasmine Sinanan-Singh y Gabrielle Mintzer, ambas estudiantes de posgrado del MIT, son las primeras coautoras del estudio. Isaac L. Chuang, profesor de física, ingeniería eléctrica e informática en el MIT, también contribuyó al trabajo.