Uno de los cimientos no reconocidos de la civilización moderna es la capacidad de detectar campos oscilantes, ya sean ondas de radio, luz visible, radiografías, campos magnéticos, ondas gravitacionales entre las innumerables variedades. No es exagerado decir que nuestras vidas del siglo XXI dependen de esta habilidad. Por lo tanto, no debería sorprender que a los físicos les gustaría hacer esto con una precisión y sensibilidad cada vez mayor.
En los últimos años, han aprendido cómo usar las propiedades extrañas de las partículas cuánticas para hacer que las mediciones se limiten solo por el principio de incertidumbre de Heisenberg. Esto coloca límites importantes en la precisión con las que se pueden conocer ciertas propiedades cuánticas.
Pero al usar trucos como el enredo cuántico y la corrección de errores cuánticos, pueden apretar este límite aún más, lo que permite detectar campos oscilantes, como ondas gravitacionales, que son tan débiles que serían imposibles de medir por otros medios. Pero a los físicos les encantaría hacerlo mejor.
Detección de computación
Ahora, Richard Allen, del Instituto de Tecnología de Massachusetts en Cambridge y sus colegas, dicen exactamente que esto es posible combinando el poder de la detección cuántica con otra propiedad extraña del mundo cuántico: su capacidad para realizar cálculos potentes a través del cálculo cuántico.
Sus hallazgos no solo mejoran las técnicas de detección existentes, sino que también establecen un nuevo límite fundamental que define la precisión final con la que se puede detectar un campo oscilante con una fuerza y frecuencia desconocidas.
De esta manera, dicen, es posible superar significativamente los límites actualmente aceptados en la detección. “Presentamos un protocolo de detección mejorado de la computación cuántica que supera a todos los enfoques existentes”, dicen Allen y compañía.
La forma tradicional de detectar un campo oscilante desconocido es probar su resistencia a intervalos regulares a una frecuencia conocida, luego a otra frecuencia conocida, etc. Escanear a través de las frecuencias de esta manera debería encontrar una coincidencia con la señal desconocida.
Pero Allen y Co se dieron cuenta de que la computación cuántica permite un tipo de búsqueda completamente diferente utilizando un enfoque cuántico conocido como algoritmo de Grover. Esto utiliza el fenómeno cuántico de la superposición para buscar muchas frecuencias a la vez.
Los físicos han sabido durante mucho tiempo que una búsqueda a través de una lista de n objetos toma un tiempo proporcional al orden del algoritmo de N. Grover lo hace mucho más rápido, en un momento del orden de la raíz cuadrada de N.
El avance de Allen y Co es darse cuenta de que el algoritmo de Grover es un cambio de juego porque la detección cuántica es una búsqueda a través de una serie de frecuencias. Al combinar la computación cuántica con la búsqueda cuántica, el equipo ha establecido un nuevo límite sobre cómo puede ser la búsqueda cuántica precisa. Llaman a esto el límite de Grover-Heisenberg.
El equipo también muestra cómo implementar su enfoque. Un sistema cuántico que es particularmente sensible a los campos externos son los centros de vacante de nitrógeno en diamantes. Estos usan las propiedades cuánticas de los electrones para medir los cambios en un campo magnético externo.
Y debido a que los centros de vacante de nitrógeno se pueden construir en computadoras cuánticas, esta información también se puede procesar fácilmente. El resultado es una máquina de estado sólido en la que se integran los sensores cuánticos y los procesadores cuánticos.
Continúan simulando cómo funcionaría tal experimento y que superaría significativamente las técnicas existentes. “Hemos demostrado que al aumentar los sensores cuánticos con una computadora cuántica, se pueden lograr ganancias metrológicas significativas”, dicen.
Prueba de principio
Ese es un trabajo interesante que se puede utilizar de inmediato utilizando la tecnología actual. Lo que se necesita ahora es que alguien lo pruebe. Eso, presumiblemente, no llevará mucho tiempo.
Pero quizás más significativo es que la técnica allana el camino para un nuevo enfoque para la detección: “Al codiseñar los códigos metrológicos con protocolos de detección novedosos, los sensores cuánticos lógicos resultantes podrían interactuar de manera robusta con el mundo físico a nivel de hardware, abriendo nuevas posibilidades en detección cuántica ”, concluyen.
Eso significa que es probable que veamos sensores computacionales en áreas tan diversas como las imágenes de resonancia magnética para imágenes biológicas, para búsquedas de materia oscura y para la detección de ondas gravitacionales, por nombrar solo algunas. ¡Y es probable que lo veamos pronto!
REF: CONTUCIÓN CUESTUM SENTING MEJORADA: arxiv.org/abs/2501.07625