En raffineret magnetisk sans

Et internationalt hold af fysikere ved ETH Zürich, Aalto Universitet, Moskva Institut for Fysik og Teknologi, og Landau Instituttet for Teoretisk Fysik i Moskva har vist, at algoritmer og hardware, der oprindeligt er udviklet i forbindelse med kvanteberegning, kan udnyttes til kvanteforstærket sansning af magnetiske felter.

Kvantevidenskab og teknologi inden for kvantevidenskab oplever en stadigt intensiverende byge af aktivitet. Overskrifterne er i øjeblikket domineret af rapporter om fremskridt i retning af at bygge kvantecomputere, der udkonkurrerer deres klassiske modstykker til specifikke beregningsopgaver. En nøgleudfordring i denne søgen er at øge kvaliteten og antallet af grundlæggende byggeklodser - kendt som kvantebits, eller qubits - der kan forbindes for at udføre kollektivt kvanteberegninger. Benchmark, hvor en 'kvantefordel' forventes at dukke op, er på 50 eller deromkring qubits, og det mål kommer til syne. Forfølger en anden rute, et hold med ETH-fysikere Andrey Lebedev og Gianni Blatter, sammen med kolleger i Finland og Rusland, fremhæve en anden gren af ​​teknologi, hvor kvanteenheder lover unikke fordele, og det med betydeligt mere beskedne hardwareressourcer. Skrivning i journalen npj Kvanteinformation , holdet præsenterer eksperimenter, hvor de brugte en enkelt qubit til at måle magnetiske felter med høj følsomhed, anvender 'kvantetricks' for at skubbe grænserne.

I deres arbejde, holdet brugte en qubit baseret på et superledende kredsløb. Den såkaldte transmon qubit er i øjeblikket en af ​​de førende kandidater til en byggesten af ​​storskala kvantecomputere, da det giver fleksibilitet til at konstruere kredsløbene på måder, der passer til det aktuelle problem. Forskere ved Aalto Universitet (Finland) har nu bygget en transmon qubit i en konfiguration, der gør den særdeles velegnet til at registrere magnetiske felter. I det væsentlige, de konstruerede et kunstigt atom med et iboende magnetisk moment, der er omkring 100, 000 gange større end naturlige atomer eller ioner. Koblingen af ​​det store moment til et eksternt magnetfelt gør det så muligt at måle feltets styrke nøjagtigt.

Ud over at give en stærk kobling til et magnetfelt, transmon qubit har en definerende egenskab for et kvantesystem, der tilbydes:sammenhængende superpositioner af kvantetilstande. I et qubit-baseret magnetometer, kohærensen mellem to tilstande svinger med en frekvens, der er proportional med det magnetiske felt, der trænger ind i enheden. Og jo højere nøjagtighed, hvormed frekvensen - eller den hastighed, hvormed bølgefunktionens fase ændres - kan måles, jo højere følsomhed er sensoren.

For at maksimere målenøjagtigheden, holdet, styret af teoretisk arbejde udført af Lebedev og Blatter ved ETH Zürich og kolleger ved Moskva Institut for Fysik og Teknologi (MITP) og Landau Institut for Teoretisk Fysik i Moskva, implementeret to dedikerede fase-estimeringsskemaer, der eksplicit udnytter qubit-dynamikkens sammenhængende natur. Deres strategi er at udføre målingerne på en adaptiv måde, ændring af prøvetagningsparametrene afhængigt af resultatet af forudgående målinger. En sådan "bayesiansk slutning" gjorde det muligt for holdet i deres eksperimenter at nå en følsomhed, der er omkring seks gange højere end hvad der kan opnås med klassisk faseestimering. Og mens der stadig er masser af plads til forfining, at 'kvanteboost' allerede var tilstrækkeligt til at slå skudstøjen, hvilket begrænser præcisionen af ​​enhver standard, klassisk måling.

Faseestimeringsalgoritmerne brugt i transmoneksperimenterne er passende tilpassede versioner af skemaer, der er udviklet til brug i kvanteberegninger. Tilsvarende designet af den hardware, der bruges i disse eksperimenter, trækker på erfaring med at bygge qubits til kvantecomputere. Denne kombination af udnyttelse af kvantehardware og kvantealgoritmer i forbindelse med kvanteregistrering giver en tiltalende vej mod nye enheder, der, ultimativt, lover at skubbe følsomheden af ​​enkelt- eller få-qubit-magnetometre mod og ud over grænserne for nuværende magnetfeltsensorer.