Gli orologi atomici sono i migliori sensori che l'umanità abbia mai costruito. Oggi possono essere trovati negli istituti nazionali di normalizzazione o nei satelliti dei sistemi di navigazione. Scienziati di tutto il mondo stanno lavorando per ottimizzare ulteriormente la precisione di questi orologi. Ora, un gruppo di ricerca guidato da Peter Zoller, un teorico di Innsbruck, in Austria, ha sviluppato un nuovo concetto che può essere utilizzato per azionare i sensori con una precisione ancora maggiore, indipendentemente dalla piattaforma tecnica utilizzata per realizzare il sensore. "Rispondiamo alla domanda su quanto possa essere preciso un sensore con le capacità di controllo esistenti e forniamo una ricetta su come ottenerlo", spiegano Denis Vasilyev e Raphael Kaubrügger del gruppo di Peter Zoller presso l'Institute of Quantum Optics and Quantum Information presso il Accademia austriaca delle scienze a Innsbruck.

A tale scopo, i fisici utilizzano un metodo di elaborazione dell'informazione quantistica:gli algoritmi quantistici variazionali descrivono un circuito di porte quantistiche che dipende da parametri liberi. Attraverso routine di ottimizzazione, il sensore trova autonomamente le migliori impostazioni per un risultato ottimale. "Abbiamo applicato questa tecnica a un problema della metrologia:la scienza della misurazione", spiegano Vasilyev e Kaubrügger. "Questo è eccitante perché storicamente i progressi della fisica atomica sono stati motivati ​​dalla metrologia e, a sua volta, è emersa l'elaborazione delle informazioni quantistiche. Quindi, abbiamo chiuso il cerchio qui", afferma Peter Zoller. Con il nuovo approccio, gli scienziati possono ottimizzare i sensori quantistici al punto da ottenere la migliore precisione possibile tecnicamente consentita.

Misurazioni migliori con poco sforzo extra

Da tempo si è capito che gli orologi atomici potrebbero funzionare in modo ancora più accurato sfruttando l'entanglement quantomeccanico. Tuttavia, c'è stata una mancanza di metodi per realizzare un robusto entanglement per tali applicazioni. I fisici di Innsbruck stanno ora utilizzando un entanglement su misura che è perfettamente sintonizzato sui requisiti del mondo reale. Con il loro metodo, generano esattamente la combinazione di stato quantistico e misurazioni ottimale per ogni singolo sensore quantistico. Ciò consente di avvicinare la precisione del sensore all'ottimale possibile secondo le leggi della natura, con solo un leggero aumento dell'overhead. "Nello sviluppo dei computer quantistici, abbiamo imparato a creare stati entangled su misura", afferma Christian Marciniak del Dipartimento di Fisica Sperimentale dell'Università di Innsbruck. "Ora stiamo usando questa conoscenza per costruire sensori migliori."

Dimostrazione del vantaggio quantistico con i sensori

Questo concetto teorico è stato ora messo in pratica per la prima volta all'Università di Innsbruck, come riportato dal gruppo di ricerca guidato da Thomas Monz e Rainer Blatt su Natura . I fisici hanno eseguito misurazioni di frequenza basate su calcoli quantistici variazionali sul loro computer quantistico a trappola ionica. Poiché le interazioni utilizzate nelle trappole ioniche lineari sono ancora relativamente facili da simulare sui computer classici, i colleghi della teoria sono stati in grado di verificare i parametri necessari su un supercomputer dell'Università di Innsbruck. Sebbene l'impostazione sperimentale non sia affatto perfetta, i risultati concordano sorprendentemente bene con i valori teoricamente previsti. Poiché tali simulazioni non sono fattibili per tutti i sensori, gli scienziati hanno dimostrato un secondo approccio:hanno utilizzato metodi per ottimizzare automaticamente i parametri senza alcuna conoscenza preliminare. "Simile all'apprendimento automatico, il computer quantistico programmabile trova la sua modalità ottimale autonomamente come sensore ad alta precisione", afferma il fisico sperimentale Thomas Feldker, descrivendo il meccanismo sottostante.

"Il nostro concetto consente di dimostrare il vantaggio delle tecnologie quantistiche rispetto ai computer classici su un problema di rilevanza pratica", sottolinea Peter Zoller. "Abbiamo dimostrato una componente cruciale degli orologi atomici quantistici con la nostra interferometria variazionale di Ramsey. L'esecuzione di questo in un orologio atomico dedicato è il passo successivo. Ciò che è stato mostrato finora solo per calcoli di dubbia rilevanza pratica potrebbe ora essere dimostrato con un sensore quantistico programmabile nel prossimo futuro:vantaggio quantistico."

I risultati sono stati pubblicati sulle riviste Nature e Revisione fisica X. + Esplora ulteriormente

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