Een internationaal team van natuurkundigen aan de ETH Zürich, Aalto-universiteit, het Moskouse Instituut voor Natuurkunde en Technologie, en het Landau Instituut voor Theoretische Fysica in Moskou heeft aangetoond dat algoritmen en hardware die oorspronkelijk zijn ontwikkeld in de context van kwantumberekening, kunnen worden gebruikt voor kwantumversterkte detectie van magnetische velden.

Het gebied van kwantumwetenschap en -technologie ervaart een steeds intensievere vlaag van activiteit. De krantenkoppen worden momenteel gedomineerd door rapporten over de voortgang bij het bouwen van kwantumcomputers die beter presteren dan hun klassieke tegenhangers bij specifieke rekentaken. Een belangrijke uitdaging in die zoektocht is het verhogen van de kwaliteit en het aantal basisbouwstenen - bekend als kwantumbits, of qubits - die kunnen worden verbonden om collectief kwantumberekeningen uit te voeren. De benchmark waar een 'kwantumvoordeel' naar verwachting zal ontstaan, is ongeveer 50 qubits, en dat doel komt in zicht. Een andere route volgen, een team met ETH-natuurkundigen Andrey Lebedev en Gianni Blatter, samen met collega's in Finland en Rusland, belicht een andere tak van technologie waar kwantumapparaten unieke voordelen beloven, en dat met aanzienlijk meer bescheiden hardwarebronnen. Schrijven in het journaal npj Quantum-informatie , het team presenteert experimenten waarin ze een enkele qubit gebruikten om magnetische velden met hoge gevoeligheid te meten, 'kwantum bedrog' gebruiken om de grenzen te verleggen.

In hun werk, het team gebruikte een qubit op basis van een supergeleidend circuit. De zogenaamde transmon-qubit is momenteel een van de leidende kandidaten voor een bouwsteen van grootschalige kwantumcomputers, omdat het flexibiliteit biedt om de circuits te ontwerpen op een manier die past bij het betreffende probleem. Onderzoekers van Aalto University (Finland) hebben nu een transmon-qubit gebouwd in een configuratie die hem bijzonder geschikt maakt voor het waarnemen van magnetische velden. In essentie, ze construeerden een kunstmatig atoom met een intrinsiek magnetisch moment van rond de 100, 000 keer groter dan die van natuurlijke atomen of ionen. De koppeling van dat grote moment aan een extern magnetisch veld maakt het dan mogelijk om de sterkte van het veld nauwkeurig te meten.

Naast een sterke koppeling aan een magnetisch veld, de transmon-qubit heeft een bepalende eigenschap van een aangeboden kwantumsysteem:coherente superposities van kwantumtoestanden. In een op qubit gebaseerde magnetometer, de samenhang tussen twee toestanden oscilleert met een frequentie die evenredig is met het magnetische veld dat het apparaat binnendringt. En hoe hoger de nauwkeurigheid waarmee de frequentie - of de snelheid waarmee de fase van de golffunctie verandert - kan worden gemeten, hoe hoger de gevoeligheid van de sensor.

Om de meetnauwkeurigheid te maximaliseren, het team, geleid door theoretisch werk uitgevoerd door Lebedev en Blatter aan de ETH Zürich en medewerkers van het Moscow Institute of Physics and Technology (MITP) en het Landau Institute for Theoretical Physics in Moskou, twee speciale fase-schattingsschema's geïmplementeerd die expliciet gebruikmaken van de coherente aard van de qubit-dynamiek. Hun strategie is om de metingen op een adaptieve manier uit te voeren, het wijzigen van de bemonsteringsparameters afhankelijk van de uitkomst van eerdere metingen. Dergelijke 'Bayesiaanse gevolgtrekking' stelde het team in staat om in hun experimenten een gevoeligheid te bereiken die ongeveer zes keer hoger is dan wat kan worden bereikt met klassieke faseschatting. En hoewel er nog voldoende ruimte is voor verfijning, die 'quantum boost' was al voldoende om het schotgeluid te verslaan, die de nauwkeurigheid van elke standaard beperkt, klassieke meting.

De fase-schattingsalgoritmen die in de transmon-experimenten worden gebruikt, zijn geschikt aangepaste versies van schema's die zijn ontwikkeld voor gebruik in kwantumberekeningen. evenzo, het ontwerp van de hardware die in deze experimenten wordt gebruikt, is gebaseerd op ervaring met het bouwen van qubits voor kwantumcomputers. Deze combinatie van het gebruik van kwantumhardware en kwantumalgoritmen in de context van kwantumdetectie biedt een aantrekkelijke route naar nieuwe apparaten die, uiteindelijk, beloven de gevoeligheid van magnetometers met enkele of enkele qubits naar en buiten de limieten van de huidige magnetische veldsensoren te duwen.