Credito:Lion_on_helium/MIPT
Ricercatori dell'Istituto di fisica e tecnologia di Mosca (MIPT), Università Aalto in Finlandia, e l'ETH di Zurigo hanno dimostrato un prototipo di dispositivo che utilizza effetti quantistici e apprendimento automatico per misurare i campi magnetici in modo più accurato rispetto ai suoi analoghi classici. Tali misurazioni sono necessarie per cercare giacimenti minerari, scoprire oggetti astronomici lontani, diagnosticare disturbi cerebrali, e creare radar migliori.
"Quando studi la natura, che tu indaghi sul cervello umano o sull'esplosione di una supernova, hai sempre a che fare con una sorta di segnale elettromagnetico, " spiega Andrey Lebedev, un coautore del documento che descrive il nuovo dispositivo in npj Informazioni quantistiche . "Quindi misurare i campi magnetici è necessario in diverse aree della scienza e della tecnologia, e si vorrebbe farlo nel modo più accurato possibile."
Il magnetometro quantistico offre maggiore precisione
Un magnetometro è uno strumento che misura i campi magnetici. Una bussola è un esempio di magnetometro primitivo. In un negozio di elettronica, si possono trovare dispositivi più avanzati di questo tipo utilizzati dagli archeologi. Anche i rilevatori di mine militari e i metal detector negli aeroporti sono magnetometri.
Esiste una limitazione fondamentale alla precisione di tali strumenti, noto come limite quantistico standard. Fondamentalmente, dice che per raddoppiare la precisione, una misurazione deve durare quattro volte di più. Questa regola si applica a qualsiasi dispositivo classico, vale a dire uno che non utilizza gli effetti bizzarri della fisica quantistica.
"Può sembrare insignificante, ma per guadagnare 1, 000 volte in precisione, dovresti eseguire l'esperimento 1 milione di volte più a lungo. Considerando che alcune misurazioni richiedono settimane per cominciare, è probabile che sperimenterai un'interruzione di corrente o esaurirai i fondi prima che l'esperimento sia finito, "dice Lebedev, che è uno dei principali ricercatori presso il Laboratorio di Fisica della Tecnologia dell'Informazione Quantistica, MIPT.
Raggiungere una maggiore precisione, e quindi tempi di misura più brevi, è cruciale quando si esaminano campioni fragili o tessuti viventi. Per esempio, quando un paziente viene sottoposto a tomografia a emissione di positroni, noto anche come scansione PET, traccianti radioattivi vengono introdotti nel flusso sanguigno, e più sensibile è il rilevatore, minore è la dose necessaria.
In teoria, la tecnologia quantistica consente di raddoppiare la precisione di una misurazione ripetendola due volte anziché quattro volte come nel caso di un magnetometro classico. Il documento riportato in questa storia descrive in dettaglio il primo tentativo riuscito di mettere in pratica questo principio utilizzando un qubit superconduttore come dispositivo di misurazione.
Figura 1. Impronta magnetometrica. I colori indicano la probabilità di rilevare il qubit nello stato eccitato subito dopo il secondo impulso a microonde. Giallo significa che lo stato eccitato è altamente probabile, mentre il blu significa che è improbabile. Questa probabilità dipende dal ritardo tra i due impulsi (asse orizzontale) e il campo magnetico esterno (asse verticale). Ogni magnetometro è caratterizzato da un'impronta digitale unica:non esistono due strumenti uguali. Credito:S. Danilin, A. Lebedev et al./npj Informazioni quantistiche
I qubit misurano i campi magnetici
Un qubit è una particella che obbedisce alle leggi della fisica quantistica e può occupare contemporaneamente due stati base discreti in quella che è nota come sovrapposizione. Questa nozione si riferisce a una moltitudine di stati "intermedi", ognuno dei quali collassa in uno dei due stati base non appena viene misurato. Un esempio di qubit è un atomo di idrogeno i cui due stati base sono lo stato fondamentale e quello eccitato.
Nello studio di Lebedev e coautori, il qubit è stato realizzato come un atomo artificiale superconduttore, una struttura microscopica fatta di sottili pellicole di alluminio e depositata su un chip di silicio contenuto in un potente frigorifero. A temperature prossime allo zero assoluto, questo dispositivo si comporta come un atomo. In particolare, assorbendo una porzione specifica di radiazione a microonde alimentata al qubit tramite un cavo, può entrare in una sovrapposizione equilibrata dei due stati base. Se viene quindi verificato lo stato del dispositivo, la misurazione rileverà il terreno e lo stato eccitato con una probabilità uguale del 50%.
I qubit superconduttori si distinguono per la loro sensibilità ai campi magnetici, che può essere utilizzato per effettuare misurazioni. Una volta che un opportuno impulso di radiazione a microonde viene utilizzato per guidare il dispositivo in una sovrapposizione equilibrata degli stati di terra e di eccitazione, questo nuovo stato comincia a cambiare prevedibilmente con il tempo. Per tenere traccia di questo cambiamento di stato, che è una funzione del campo magnetico esterno, i ricercatori hanno inviato un secondo impulso a microonde al dispositivo dopo un breve ritardo e hanno misurato la probabilità di trovare il qubit nello stato eccitato. Questa probabilità, che è stato calcolato su molti esperimenti identici eseguiti in rapida successione, indica l'intensità del campo magnetico. La precisione di questa tecnologia quantistica supera il limite quantistico standard.
Formazione Qubit
"Un vero qubit fisico è imperfetto. È un dispositivo creato dall'uomo, piuttosto che un'astrazione matematica. Quindi, invece di usare una formula teorica, addestriamo il qubit prima di effettuare misurazioni reali, " dice Lebedev. "Questa è la prima volta che l'apprendimento automatico è stato applicato a un magnetometro quantistico, " Aggiunge.
L'addestramento Qubit consiste nell'eseguire molte misurazioni preliminari in condizioni controllate con ritardi predeterminati tra gli impulsi e in una gamma di campi magnetici noti. Gli autori hanno quindi determinato la probabilità di rilevare lo stato eccitato in seguito alla sequenza di due impulsi per un campo arbitrario e un ritardo dell'impulso. I ricercatori hanno tracciato i loro risultati su un diagramma, che funge da impronta digitale per il singolo dispositivo utilizzato nello studio, conto di tutte le sue imperfezioni.
Il punto dell'impronta digitale del campione è che i tempi di ritardo tra gli impulsi possono essere ottimizzati durante misurazioni ripetute. "Eseguiamo misurazioni adattive, " dice Lebedev. "Al primo passo, prendiamo una misura dato un certo ritardo tra gli impulsi a microonde. Quindi, a seconda del risultato, lasciamo che il nostro algoritmo di riconoscimento dei pattern decida come impostare il ritardo per la prossima iterazione. Ciò si traduce in una maggiore precisione rispetto a un minor numero di misurazioni."
Figura 2. Tutti i possibili stati di un qubit possono essere visualizzati come una sfera, dove i due poli N e S rappresentano la base e gli stati eccitati, rispettivamente. Tutti gli altri punti della sfera, come quelli designati da spazi vuoti in a), corrispondono a stati di sovrapposizione, che sono consentiti anche dalle leggi della fisica quantistica. Però, ogni volta che questi altri stati vengono "controllati" da un osservatore, collassano in uno dei due stati base. Detto ciò, gli stati sull'equatore collassano nel terreno o nello stato eccitato con uguale probabilità, ma gli stati altrove sono più o meno probabili secondo me misurati come eccitati. Nell'immagine b), il punto che rappresenta lo stato del qubit ruota per effetto di un campo esterno. Credito:Lion_on_helium/MIPT
Qubit in laboratorio, Ospedale, e lo spazio esterno
Finora, il dispositivo prototipo e i qubit superconduttori funzionano solo a circa 0,02 gradi sopra lo zero assoluto, che è definito come -273,15 gradi Celsius. "Sono circa 15, 000 volte più freddo della temperatura ambiente, " Lebedev sottolinea. "Gli ingegneri stanno lavorando per aumentare la temperatura di esercizio di tali dispositivi a 4 kelvin [-269 C]. Ciò renderebbe fattibile il raffreddamento con elio liquido, rendere la tecnologia commercialmente fattibile".
Il prototipo è stato testato su un campo magnetico statico, ma i campi variabili nel tempo o transitori possono essere misurati allo stesso modo. Il team di ricerca sta già conducendo esperimenti con campi variabili, ampliando la potenziale gamma di applicazioni del proprio dispositivo.
Per esempio, un magnetometro quantistico potrebbe essere montato su un satellite per osservare fenomeni astronomici troppo deboli per gli strumenti classici. convenientemente, le condizioni di spazio gelido rendono il raffreddamento un po' meno problematico. Oltretutto, un sistema di magnetometri quantistici potrebbe funzionare come un radar ultrasensibile. Ulteriori applicazioni di tali strumenti non classici includono scansioni MRI, prospezione mineraria, e ricerca sulla struttura delle biomolecole e sui materiali inorganici.
Come estrarre informazioni sul campo esterno da un qubit
Una volta che il primo impulso a microonde viene assorbito dal magnetometro, entra in una sovrapposizione degli stati fondamentale ed eccitato. Questo può essere visualizzato immaginando i due stati base del qubit come i due poli di una sfera, dove ogni altro punto sulla sfera rappresenta uno stato di sovrapposizione. In questa analogia, il primo impulso guida lo stato del qubit dal polo nord, lo stato fondamentale, a un punto sull'equatore (figura 2a). Una misurazione diretta di questo stato di sovrapposizione bilanciata comporterebbe la rilevazione dello stato fondamentale o eccitato con disparità pari.
Dopo il primo impulso, il qubit diventa sensibile al campo esterno. Questo si manifesta come un prevedibile cambiamento dello stato quantico del dispositivo. Può essere raffigurato come un punto che ruota lungo l'equatore di una sfera (figura 2b). Quanto velocemente questo punto ruota, dipende dalla forza del campo esterno. Ciò significa che trovando un modo per misurare l'angolo di rotazione X in un periodo di tempo noto, il campo può essere quantificato.
La sfida principale è distinguere tra i diversi stati sull'equatore:a meno che non venga usato qualche trucco, la misurazione restituirebbe lo stato eccitato esattamente il 50 percento delle volte. Questo è il motivo per cui i fisici hanno inviato un secondo impulso a microonde al qubit e solo dopo ne hanno verificato lo stato. L'idea alla base del secondo impulso è che sposta prevedibilmente lo stato del dispositivo fuori dall'equatore, in uno degli emisferi. Ora, le probabilità di misurare uno stato eccitato dipendono da quanto lo stato è ruotato dal primo impulso, questo è, angolo X. Ripetendo più volte la sequenza di due impulsi e una misurazione, gli autori hanno calcolato la probabilità di uno stato eccitato, e quindi l'angolo X e l'intensità del campo magnetico. Questo principio è alla base del funzionamento del loro magnetometro.
