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Pesquisadores da North Carolina State University e do Massachusetts Institute of Technology projetaram um protocolo para aproveitar o poder dos sensores quânticos. O protocolo pode dar aos projetistas de sensores a capacidade de ajustar sistemas quânticos para detectar sinais de interesse, criando sensores que são muito mais sensíveis do que os sensores tradicionais.
“A detecção quântica mostra-se promissora para uma capacidade de detecção mais poderosa que pode se aproximar do limite fundamental definido pela lei da mecânica quântica, mas o desafio está em ser capaz de direcionar esses sensores para encontrar os sinais que queremos”, diz Yuan Liu, professor assistente de engenharia elétrica e de computação e ciência da computação na NC State e autor correspondente da pesquisa. Liu foi anteriormente um pesquisador de pós-doutorado no MIT.
“Nossa ideia foi inspirada pelos princípios clássicos de design de filtros de processamento de sinais que são rotineiramente usados por engenheiros elétricos”, diz Liu. “Nós generalizamos esses designs de filtros para sistemas de detecção quântica, o que nos permite ‘ajustar’ o que é essencialmente um sistema quântico de dimensão infinita, acoplando-o a um sistema quântico simples de dois níveis.”
Especificamente, os pesquisadores projetaram uma estrutura algorítmica que acopla um qubit a um oscilador bosônico. Qubits, ou bits quânticos, são a contraparte da computação quântica aos bits da computação clássica — eles armazenam informações quânticas e só podem estar em uma superposição de dois estados básicos: ├ |0⟩, ├ |1⟩. Os osciladores bosônicos são o análogo quântico dos osciladores clássicos (pense no movimento de um pêndulo) e compartilham características semelhantes aos osciladores clássicos, mas seus estados não são limitados a uma combinação linear de apenas dois estados básicos — eles são sistemas de dimensão infinita.
“Manipular o estado quântico de um sensor de dimensão infinita é complicado, então começamos simplificando a questão”, diz Liu. “Em vez de tentar descobrir quantidades de nossos alvos, apenas fazemos uma pergunta de decisão: se o alvo tem a propriedade X. Então podemos projetar a manipulação do oscilador para refletir essa questão.”
Ao acoplar o sensor de dimensão infinita ao qubit bidimensional e manipular esse acoplamento, o sensor pode ser sintonizado em um sinal de interesse. A interferometria é usada para codificar os resultados no estado do qubit, que é então medido para leitura.
“Esse acoplamento nos dá uma noção do oscilador bosônico, então poderíamos usar uma função polinomial — matemática que descreve formas de onda — para projetar a função de onda do oscilador para assumir uma forma específica, ajustando assim o sensor ao alvo de interesse”, diz Liu.
“Uma vez que o sinal acontece, desfazemos a modelagem, o que cria interferência no sistema dimensional infinito que retorna como um resultado legível — uma função polinomial determinada pela transformação polinomial original do oscilador e do sinal subjacente — no sistema de dois níveis do qubit. Em outras palavras, terminamos com uma resposta ‘sim’ ou ‘não’ para a questão de se a coisa que estamos procurando está lá. E a melhor parte é que só precisamos medir o qubit uma vez para extrair uma resposta — é uma medição ‘de disparo único’.”
Os pesquisadores veem o trabalho como um fornecimento de uma estrutura geral para projetar protocolos de detecção quântica para uma variedade de sensores quânticos.
“Nosso trabalho é útil porque utiliza recursos quânticos prontamente disponíveis no hardware quântico líder (incluindo íons presos, plataforma supercondutora e átomos neutros) de uma forma bastante simples”, diz Liu. “Essa abordagem serve como um alarme ou indicador de que um sinal está lá, sem exigir medições repetidas e custosas. É uma maneira poderosa de extrair informações úteis de forma eficiente de um sistema dimensional infinito.”
O trabalho aparece na Quantum e foi apoiado pelo Army Research Office sob o número de projeto W911NF-17-1-0481, e pelo US Department of Energy sob o número de contrato DE-SC0012704. Jasmine Sinanan-Singh e Gabriel Mintzer, ambos estudantes de pós-graduação no MIT, são coautores da pesquisa. Isaac L. Chuang, professor de física e engenharia elétrica e ciência da computação no MIT, também contribuiu para o trabalho.
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