Ett internationellt team av fysiker vid ETH Zürich, Aalto universitet, Moskva institutet för fysik och teknik, och Landau Institute for Theoretical Physics i Moskva har visat att algoritmer och hårdvara som ursprungligen utvecklats i samband med kvantberäkning kan utnyttjas för kvantförstärkt avkänning av magnetfält.

Området kvantvetenskap och teknik upplever en ständigt intensifierande aktivitet. Rubrikerna domineras för närvarande av rapporter om framsteg mot att bygga kvantdatorer som överträffar sina klassiska motsvarigheter vid specifika beräkningsuppgifter. En viktig utmaning i den strävan är att öka kvaliteten och antalet grundläggande byggstenar - kända som kvantbitar, eller qubits - som kan anslutas för att utföra gemensamt kvantberäkningar. Riktmärket där en "kvantfördel" förväntas dyka upp är cirka 50 qubits, och det målet kommer i sikte. Följer en annan väg, ett team inklusive ETH -fysikerna Andrey Lebedev och Gianni Blatter, tillsammans med kollegor i Finland och Ryssland, lyfta fram en annan teknikgren där kvantanordningar lovar unika fördelar, och det med betydligt mer blygsamma hårdvaruresurser. Skriver i tidningen npj Quantum Information , laget presenterar experiment där de använde en enda qubit för att mäta magnetfält med hög känslighet, med hjälp av "quantum trick" för att flytta gränserna.

I deras arbete, laget använde en qubit baserad på en supraledande krets. Den så kallade transmon qubit är för närvarande en av de ledande kandidaterna för en byggsten av stora kvantdatorer, eftersom det erbjuder flexibilitet för att konstruera kretsarna på sätt som passar det aktuella problemet. Forskare vid Aalto University (Finland) har nu byggt en transmon qubit i en konfiguration som gör den särskilt lämplig för avkänning av magnetfält. I huvudsak, de konstruerade en artificiell atom med ett inneboende magnetiskt moment som är runt 100, 000 gånger större än för naturliga atomer eller joner. Kopplingen av det stora ögonblicket till ett externt magnetfält gör det då möjligt att mäta fältets styrka exakt.

Förutom att ge en stark koppling till ett magnetfält, transmonkvitten har en definierande egenskap hos ett kvantsystem som erbjuds:sammanhängande superpositioner av kvanttillstånd. I en qubitbaserad magnetometer, koherensen mellan två tillstånd oscillerar med en frekvens som är proportionell mot magnetfältet som tränger in i anordningen. Och ju högre noggrannhet med vilken frekvensen - eller hastigheten med vilken vågfunktionens fas förändras - kan mätas, ju högre känslighet sensorn har.

För att maximera mätnoggrannheten, laget, styrt av teoretiskt arbete utfört av Lebedev och Blatter vid ETH Zürich och medarbetare vid Moskva institutet för fysik och teknik (MITP) och Landau Institute for Theoretical Physics i Moskva, implementerade två dedikerade fasuppskattningssystem som uttryckligen utnyttjar den koherenta karaktären hos qubit-dynamiken. Deras strategi är att utföra mätningarna på ett adaptivt sätt, ändra provtagningsparametrarna beroende på resultatet av föregående mätningar. Sådan "Bayesiansk inferens" gjorde det möjligt för laget att i sina experiment nå en känslighet som är ungefär sex gånger högre än vad som kan uppnås med klassisk fasestimering. Och medan det fortfarande finns gott om utrymme för förfining, den "kvantförstärkningen" var redan tillräcklig för att slå skottbruset, som begränsar precisionen hos alla standarder, klassisk mätning.

Fasestimeringsalgoritmerna som används i transmon-experimenten är lämpligt anpassade versioner av scheman som har utvecklats för användning i kvantberäkningar. Liknande, designen av hårdvaran som används i dessa experiment bygger på erfarenhet av att bygga qubits för kvantdatorer. Denna kombination av utnyttjande av kvanthårdvara och kvantalgoritmer i samband med kvantavkänning ger en tilltalande väg mot nya enheter som, i sista hand, lovar att driva känsligheten hos en- eller få-kvbit-magnetometrar mot och bortom gränserna för nuvarande magnetfältssensorer.