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 convencionales.
“La detección cuántica muestra la promesa de capacidades de detección más poderosas que pueden alcanzar los límites fundamentales establecidos por las leyes de la mecánica cuántica, pero el desafío es permitir que estos sensores encuentren las señales que queremos”, dice Yuan Liu, profesor asistente. Autor correspondiente de ingeniería eléctrica e informática e informática e investigación en NC State. Liu fue anteriormente investigador postdoctoral en el MIT.
“Nuestra idea se inspiró en los principios clásicos de diseño de filtros de procesamiento de señales utilizados habitualmente por los ingenieros eléctricos”, dice Liu. “Generalizamos estos diseños de filtros a sistemas de detección cuántica, lo que nos permite ‘afinar’ lo que es esencialmente un sistema cuántico de dimensión infinita al acoplarlo a un sistema cuántico simple de dos niveles”.
En concreto, los investigadores diseñaron un marco algorítmico que combina un oscilador bosónico con un único qubit. Los qubits, o bits cuánticos, son la contraparte de la computación cuántica a los bits de 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 (pensemos 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 fundamentales: son de dimensión infinita. Hay sistemas.
“Manipular el estado cuántico de un sensor de dimensión infinita es complicado, por lo que comenzamos simplificando la cuestión”, dice Liu. “En lugar de intentar cuantificar nuestros objetivos, simplemente hacemos una pregunta de decisión: ¿Tiene el objetivo la propiedad X? Luego podemos diseñar la manipulación del oscilador para reflejar esa pregunta”.
Al conectar un sensor de dimensión infinita a un qubit bidimensional y acoplar el par, el sensor se puede sintonizar con la señal de interés. La interferometría se utiliza para codificar los resultados en un estado de qubit que luego se mide para su lectura.
“Este par nos da una idea del oscilador bosónico, por lo que podemos usar una función polinómica (la matemática que describe las formas de onda) para hacer que la función de onda del oscilador adopte una forma particular. Para diseñar, adaptar así el sensor al objetivo de interés”, afirma Liu.
“Una vez que se genera la señal, anulamos la forma, lo que crea un sistema de interferencia de dimensión infinita que regresa como un resultado legible: una función polinómica determinada por el oscilador y la señal subyacente. La transformación polinómica original de – en En otras palabras, respondemos a la pregunta con “sí” o “no” sobre si lo que estamos buscando es y es lo mejor. La cuestión es que sólo necesitamos medir el qubit una vez para obtener la respuesta: es un “. medición de un solo disparo”.
Los investigadores consideran que el trabajo proporciona un marco general para diseñar protocolos de detección cuántica para una variedad de sensores cuánticos.
“Nuestro trabajo es útil porque utiliza recursos cuánticos fácilmente disponibles en hardware cuántico conocido (incluidos iones atrapados, plataformas superconductoras y átomos neutros) de una manera bastante simple”, dice Liu. “Este enfoque sirve como alarma o indicador de que hay una señal presente sin la necesidad de costosas mediciones repetidas. Es una forma poderosa de extraer eficientemente información útil de un sistema de dimensiones infinitas”.
Este trabajo aparece en Quantum y fue apoyado por la Oficina de Investigación del Ejército bajo el Proyecto No. W911NF-17-1-0481, y el Departamento de Energía de EE. UU. bajo el Contrato No. DE-SC0012704. Jasmine Sinanan Singh y Gabriel Mintzer, ambos estudiantes de posgrado del MIT, son los primeros autores del estudio. Isaac L. Chuang, profesor de física, ingeniería eléctrica e informática en el MIT, también contribuyó al trabajo.
