Abstracto

• Los investigadores han desvelado un nuevo tipo de sensor cuántico que, según dicen, explota el entrelazamiento cuántico para realizar descubrimientos que «se remontan al pasado».
• El estudio, publicado en la revista Physical Review Letters, fue dirigido por Cater Mursch, profesora Charles M. Hohenberg y director del Centro de Saltos Cuánticos de la Universidad de Washington en St. Louis.
• Los resultados de este estudio pueden conducir al desarrollo de nuevos sensores cuánticos para astronomía y magnetismo.

En un estudio publicado recientemente en Cartas de revisión de materialesLos investigadores han desvelado un nuevo tipo de sensor cuántico que, según afirman, aprovecha el entrelazamiento cuántico para realizar detecciones que, nótese las citas, «retroceden en el tiempo». Los investigadores añaden que los hallazgos podrían conducir algún día a nuevos sensores cuánticos ideales para la detección astronómica y las investigaciones de campos magnéticos.

El estudio, dirigido por Cater Murch, Charles M. Hohenberg y el director del Centro de Saltos Cuánticos de la Universidad de Washington en St. Louis, han desarrollado un sensor que puede detectar eventos pasados ​​en sistemas complejos. El equipo, que también incluía científicos del Instituto Nacional de Estándares y Tecnología (NIST) y la Universidad de Cambridge, describió la innovación en presione soltar Es como si estuvieras enviando un telescopio al pasado para captar una estrella fugaz que ves por el rabillo del ojo.

El sensor funciona entrelazando dos partículas cuánticas en un solo estado cuántico, con sus espines apuntando en direcciones opuestas. El proceso comienza con una sola partícula, la “sonda”, expuesta a un campo magnético que la hace girar. El mayor avance se produce cuando se mide la segunda partícula, la «ayudante». Esta medición en realidad envía su estado cuántico atrás en el tiempo a la sonda, lo que permite a los investigadores determinar perfectamente la dirección del giro del qubit de la sonda en lo que Murch llama retrospectiva.

«La belleza de la visión retrospectiva es que permite a los evaluadores determinar la mejor dirección de rotación, retroactivamente, viajando en el tiempo», explicó Murch en el comunicado de prensa.

Este método evita la tasa de fallo habitual de uno de cada tres asociados con mediciones de campos magnéticos desconocidos, lo que proporciona un nuevo enfoque para la cuantificación. La medición cuántica tiene como objetivo mejorar la sensibilidad de la medición aprovechando los recursos cuánticos. Los sensores tradicionales de un solo qubit fallan cuando se desconoce el eje de giro. Sin embargo, este nuevo enfoque entrelaza el qubit sonda con el qubit auxiliar, maximizando la información cuántica de Fisher sobre el ángulo de giro independientemente del eje de giro desconocido.

«Demostramos esta característica metrológica utilizando un procesador cuántico superconductor de dos qubits», escribió el equipo de investigación en el artículo. Este enfoque supera a los sensores clásicos de tipo II al aprovechar el entrelazamiento de los sensores de tipo III.

La mejora del 50% en la información cuántica de Fisher pesa en contra del costo de manipular el entrelazamiento. En otras palabras, la precisión de medición y la sensibilidad que los investigadores obtienen a través del entrelazamiento justifica la complejidad adicional y la inversión en recursos necesarios para manipular los estados entrelazados. Esta balanza ofrece una idea de las ventajas de utilizar sensores tipo III en aplicaciones donde es fundamental mejorar la precisión.

El equipo añade que la investigación evita la necesidad de una selección post hoc, ya que todos los resultados de las mediciones ayudan a deducir el ángulo de rotación.

En su configuración experimental detallada, que está disponible En papelLos investigadores utilizaron una subsección de un dispositivo compuesta por tres qubits, como se describe en el artículo. La configuración incluye dos circuitos transmisores, uno de frecuencia fija y otro de frecuencia sintonizable a través de una línea de flujo rápido, lo que permite la conmutación cruzada paramétrica. Se aplicaron ciclos de qubits individuales a través de líneas de transmisión independientes, y los qubits se conectaron a resonadores de lectura separados, escaneados por una línea de alimentación común.

Tendencias y limitaciones futuras

Si bien el estudio presenta un enfoque nuevo, algo alucinante (aunque mi mente se confunde fácilmente con esta publicación) para la detección cuántica, existen vías interesantes para futuras investigaciones, así como limitaciones reconocidas. En términos de direcciones futuras, los investigadores proponen ampliar el protocolo a sistemas ópticos y de estado sólido con aplicaciones metrológicas concretas, aprovechar la estimación de fase en algoritmos cuánticos y avanzar en la metrología con limitaciones de tiempo. Según los investigadores, la capacidad de enviar sensores cuánticos “hacia atrás en el tiempo” podría mejorar diversas aplicaciones, desde la detección de fenómenos astronómicos hasta la medición de campos variables en el tiempo con mayor precisión.

Aunque no se indica explícitamente, cualquier investigación sobre los mecanismos de entrelazamiento contribuye a comprender este fenómeno, y se podría pensar que podría tener implicaciones para los campos de la ciencia y la tecnología cuánticas.

El estudio también destaca el potencial de utilizar su técnica en mediciones que requieren mediciones de campo que varían en el tiempo. «Nuestro protocolo incluye preparaciones óptimas de casos y mediciones sin conocimiento previo del generador de la unidad desconocida», dice el estudio, enfatizando la solidez de su enfoque.

Sin embargo, como se mencionó, la investigación no está exenta de limitaciones. La configuración experimental actual se realizó dentro de un procesador cuántico superconductor de dos qubits que, aunque eficaz como prueba de concepto, puede enfrentar problemas de escala cuando se aplica a sistemas más complejos. Además, el costo y la complejidad de manipular estados entrelazados y la necesidad de entornos estrictamente controlados pueden plantear desafíos para aplicaciones prácticas fuera de las condiciones de laboratorio.

Los resultados del estudio abren la puerta a muchas aplicaciones potenciales. A medida que los científicos cuánticos continúen explorando las propiedades de los pares de partículas entrelazadas, pueden surgir usos más innovadores para estos sensores cuánticos que viajan en el tiempo. Para obtener más información, se puede acceder al estudio completo en Una versión reciente de Cartas de revisión de materiales.

También me he basado en una versión anterior disponible en Servidor de preimpresión ArXiv. El resumen también está disponible disponible.