Un team internazionale di fisici dell'ETH di Zurigo, Università Aalto, l'Istituto di Fisica e Tecnologia di Mosca, e il Landau Institute for Theoretical Physics di Mosca ha dimostrato che algoritmi e hardware sviluppati originariamente nel contesto del calcolo quantistico possono essere sfruttati per il rilevamento quantistico dei campi magnetici.

Il campo della scienza e della tecnologia quantistica sperimenta una raffica di attività sempre più intensa. I titoli sono attualmente dominati dai rapporti sui progressi verso la costruzione di computer quantistici che superano le loro controparti classiche in compiti computazionali specifici. Una sfida chiave in questa ricerca è aumentare la qualità e il numero di elementi costitutivi di base, noti come bit quantistici, o qubit, che possono essere collegati per eseguire calcoli quantistici collettivamente. Il benchmark in cui si prevede che emerga un "vantaggio quantistico" è a circa 50 qubit, e quell'obiettivo sta arrivando. Seguendo una strada diversa, un team che include i fisici dell'ETH Andrey Lebedev e Gianni Blatter, insieme ai colleghi in Finlandia e Russia, evidenziare un altro ramo della tecnologia in cui i dispositivi quantistici promettono vantaggi unici, e questo con risorse hardware notevolmente più modeste. Scrivere sul diario npj Informazioni quantistiche , il team presenta esperimenti in cui hanno utilizzato un singolo qubit per misurare campi magnetici con elevata sensibilità, impiegando 'inganno quantistico' per spingere i limiti.

Nel loro lavoro, il team ha utilizzato un qubit basato su un circuito superconduttore. Il cosiddetto qubit transmon è attualmente uno dei principali candidati per un elemento costitutivo di computer quantistici su larga scala, in quanto offre flessibilità per l'ingegnerizzazione dei circuiti in modi che si adattano al problema in questione. I ricercatori dell'Università di Aalto (Finlandia) hanno ora costruito un qubit transmon in una configurazione che lo rende particolarmente adatto al rilevamento di campi magnetici. In sostanza, hanno costruito un atomo artificiale con un momento magnetico intrinseco che è di circa 100, 000 volte più grande di quello di atomi o ioni naturali. L'accoppiamento di quel grande momento a un campo magnetico esterno consente quindi di misurare con precisione l'intensità del campo.

Oltre a fornire un forte accoppiamento a un campo magnetico, il qubit transmon ha una proprietà che definisce un sistema quantistico in offerta:sovrapposizioni coerenti di stati quantistici. In un magnetometro basato su qubit, la coerenza tra due stati oscilla ad una frequenza proporzionale al campo magnetico che penetra nel dispositivo. E maggiore è la precisione con cui è possibile misurare la frequenza o la velocità con cui cambia la fase della funzione d'onda, maggiore è la sensibilità del sensore.

Per massimizzare l'accuratezza della misurazione, Il gruppo, guidato dal lavoro teorico svolto da Lebedev e Blatter all'ETH di Zurigo e dai collaboratori dell'Istituto di fisica e tecnologia di Mosca (MITP) e dell'Istituto di fisica teorica Landau di Mosca, ha implementato due schemi di stima di fase dedicati che sfruttano esplicitamente la natura coerente della dinamica dei qubit. La loro strategia consiste nell'eseguire le misurazioni in modo adattivo, modificando i parametri di campionamento in funzione dell'esito delle misurazioni precedenti. Tale "inferenza bayesiana" ha permesso al team di raggiungere nei loro esperimenti una sensibilità che è circa sei volte superiore a quella che può essere ottenuta con la stima di fase classica. E mentre c'è ancora molto spazio per il perfezionamento, quel "quantum boost" era già sufficiente per battere il rumore dello sparo, che limita la precisione di qualsiasi standard, misurazione classica.

Gli algoritmi di stima di fase utilizzati negli esperimenti transmon sono versioni opportunamente adattate di schemi che sono stati sviluppati per l'uso nei calcoli quantistici. Allo stesso modo, il design dell'hardware utilizzato in questi esperimenti si basa sull'esperienza nella costruzione di qubit per computer quantistici. Questa combinazione di sfruttamento di hardware quantistico e algoritmi quantistici nel contesto del rilevamento quantistico fornisce un percorso interessante verso nuovi dispositivi che, in definitiva, promettono di spingere la sensibilità dei magnetometri a uno o pochi qubit verso e oltre i limiti degli attuali sensori di campo magnetico.