Sensores cuánticos: Medición aún más precisa

Mejores mediciones con poco esfuerzo adicional

25.03.2022 - Austria

Dos equipos de físicos dirigidos por Peter Zoller y Thomas Monz en la Universidad de Innsbruck (Austria) han diseñado el primer sensor cuántico programable y lo han probado en el laboratorio. Para ello han aplicado técnicas de procesamiento de información cuántica a un problema de medición. El innovador método promete sensores cuánticos cuya precisión se acerca al límite establecido por las leyes de la naturaleza.

Los relojes atómicos son los mejores sensores que ha construido la humanidad. Hoy en día, pueden encontrarse en los institutos nacionales de normalización o en los satélites de los sistemas de navegación. Científicos de todo el mundo trabajan para optimizar aún más la precisión de estos relojes. Ahora, un grupo de investigación dirigido por Peter Zoller, un teórico de Innsbruck (Austria), ha desarrollado un nuevo concepto que puede utilizarse para hacer funcionar los sensores con una precisión aún mayor, independientemente de la plataforma técnica que se utilice para fabricarlos. "Respondemos a la pregunta de cuán preciso puede ser un sensor con las capacidades de control existentes, y damos una receta de cómo puede lograrse", explican Denis Vasilyev y Raphael Kaubrügger, del grupo de Peter Zoller en el Instituto de Óptica Cuántica e Información Cuántica de la Academia Austriaca de Ciencias de Innsbruck.

Para ello, los físicos utilizan un método procedente del procesamiento de la información cuántica: los algoritmos cuánticos variacionales describen un circuito de puertas cuánticas que depende de parámetros libres. Mediante rutinas de optimización, el sensor encuentra de forma autónoma los mejores ajustes para obtener un resultado óptimo. "Hemos aplicado esta técnica a un problema de metrología, la ciencia de la medición", explican Vasilyev y Kaubrügger. "Esto es apasionante porque históricamente los avances de la física atómica estuvieron motivados por la metrología, y a su vez el procesamiento de la información cuántica surgió de ella. Así que hemos cerrado el círculo", se entusiasma Peter Zoller. Con el nuevo enfoque, los científicos pueden optimizar los sensores cuánticos hasta conseguir la mayor precisión posible técnicamente.

Mejores mediciones con poco esfuerzo adicional

Hace tiempo que se sabe que los relojes atómicos podrían funcionar con mayor precisión si se aprovechara el entrelazamiento mecánico cuántico. Sin embargo, se carecía de métodos para realizar un entrelazamiento robusto para tales aplicaciones. Los físicos de Innsbruck utilizan ahora un entrelazamiento hecho a medida que se ajusta con precisión a los requisitos del mundo real. Con su método, generan exactamente la combinación formada por el estado cuántico y las mediciones que es óptima para cada sensor cuántico individual. Esto permite acercar la precisión del sensor al óptimo posible según las leyes de la naturaleza, con sólo un ligero aumento de la sobrecarga. "En el desarrollo de los ordenadores cuánticos, hemos aprendido a crear estados enredados a medida", afirma Christian Marciniak, del Departamento de Física Experimental de la Universidad de Innsbruck. "Ahora estamos utilizando este conocimiento para construir mejores sensores".

Demostrar la ventaja cuántica con sensores

Este concepto teórico se ha llevado a la práctica por primera vez en la Universidad de Innsbruck, tal y como informa ahora el grupo de investigación dirigido por Thomas Monz y Rainer Blatt en Nature. Los físicos realizaron mediciones de frecuencia basadas en cálculos cuánticos variacionales en su ordenador cuántico de trampas de iones. Dado que las interacciones utilizadas en las trampas de iones lineales siguen siendo relativamente fáciles de simular en los ordenadores clásicos, los colegas de la teoría pudieron comprobar los parámetros necesarios en un superordenador de la Universidad de Innsbruck. Aunque la configuración experimental no es en absoluto perfecta, los resultados coinciden sorprendentemente con los valores predichos por la teoría. Dado que este tipo de simulaciones no son factibles para todos los sensores, los científicos demostraron un segundo enfoque: Utilizaron métodos para optimizar automáticamente los parámetros sin conocimiento previo. "De forma similar al aprendizaje automático, el ordenador cuántico programable encuentra su modo óptimo de forma autónoma como un sensor de alta precisión", dice el físico experimental Thomas Feldker, describiendo el mecanismo subyacente.

"Nuestro concepto permite demostrar la ventaja de las tecnologías cuánticas sobre los ordenadores clásicos en un problema de relevancia práctica", subraya Peter Zoller. "Hemos demostrado un componente crucial de los relojes atómicos mejorados cuánticamente con nuestra interferometría Ramsey variacional. Ejecutar esto en un reloj atómico dedicado es el siguiente paso. Lo que hasta ahora sólo se ha demostrado para cálculos de dudosa relevancia práctica podría demostrarse ahora con un sensor cuántico programable en un futuro próximo: la ventaja cuántica."

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