Une équipe internationale de physiciens à l'ETH Zurich, Université Aalto, l'Institut de physique et de technologie de Moscou, et le Landau Institute for Theoretical Physics à Moscou a démontré que les algorithmes et le matériel développés à l'origine dans le contexte du calcul quantique peuvent être exploités pour la détection quantique améliorée des champs magnétiques.

Le domaine de la science et de la technologie quantiques connaît une activité de plus en plus intense. Les gros titres sont actuellement dominés par des rapports sur les progrès réalisés dans la construction d'ordinateurs quantiques qui surpassent leurs homologues classiques pour des tâches de calcul spécifiques. Un défi clé dans cette quête est d'augmenter la qualité et le nombre de blocs de construction de base, appelés bits quantiques, ou qubits — qui peuvent être connectés pour effectuer collectivement des calculs quantiques. Le point de référence où un « avantage quantique » devrait émerger est à environ 50 qubits, et cet objectif se profile. Poursuivant une autre route, une équipe comprenant les physiciens de l'ETH Andrey Lebedev et Gianni Blatter, avec des collègues en Finlande et en Russie, mettre en évidence une autre branche de la technologie où les dispositifs quantiques promettent des avantages uniques, et cela avec des ressources matérielles considérablement plus modestes. Ecrire dans le journal Informations quantiques npj , l'équipe présente des expériences dans lesquelles ils ont utilisé un seul qubit pour mesurer des champs magnétiques à haute sensibilité, employant la « supercherie quantique » pour repousser les limites.

Dans leur travail, l'équipe a utilisé un qubit basé sur un circuit supraconducteur. Le qubit dit transmon est actuellement l'un des principaux candidats pour un bloc de construction d'ordinateurs quantiques à grande échelle, car il offre une flexibilité pour l'ingénierie des circuits de manière à s'adapter au problème à résoudre. Des chercheurs de l'Université Aalto (Finlande) ont maintenant construit un qubit transmon dans une configuration qui le rend particulièrement adapté à la détection des champs magnétiques. En substance, ils ont construit un atome artificiel avec un moment magnétique intrinsèque qui est d'environ 100, 000 fois plus grand que celui des atomes ou des ions naturels. Le couplage de ce grand moment à un champ magnétique extérieur permet alors de mesurer avec précision l'intensité du champ.

En plus de fournir un fort couplage à un champ magnétique, le qubit transmon a une propriété déterminante d'un système quantique proposé :des superpositions cohérentes d'états quantiques. Dans un magnétomètre à base de qubit, la cohérence entre deux états oscille à une fréquence proportionnelle au champ magnétique pénétrant dans le dispositif. Et plus la précision avec laquelle la fréquence - ou la vitesse à laquelle la phase de la fonction d'onde change - peut être mesurée est élevée, plus la sensibilité du capteur est élevée.

Pour maximiser la précision de mesure, l'équipe, guidé par les travaux théoriques effectués par Lebedev et Blatter à l'ETH Zurich et des collègues de l'Institut de physique et de technologie de Moscou (MITP) et de l'Institut Landau de physique théorique à Moscou, implémenté deux schémas d'estimation de phase dédiés qui exploitent explicitement la nature cohérente de la dynamique des qubits. Leur stratégie est d'effectuer les mesures de manière adaptative, changer les paramètres d'échantillonnage en fonction du résultat des mesures antérieures. Une telle "inférence bayésienne" a permis à l'équipe d'atteindre dans leurs expériences une sensibilité environ six fois supérieure à ce qui peut être obtenu avec l'estimation de phase classique. Et alors qu'il y a encore beaucoup de place pour le raffinement, ce "quantum boost" était déjà suffisant pour battre le bruit de tir, qui limite la précision de toute norme, mesure classique.

Les algorithmes d'estimation de phase utilisés dans les expériences de transmon sont des versions convenablement adaptées de schémas qui ont été développés pour être utilisés dans les calculs quantiques. De la même manière, la conception du matériel utilisé dans ces expériences s'appuie sur l'expérience de la construction de qubits pour les ordinateurs quantiques. Cette combinaison d'exploitation de matériel quantique et d'algorithmes quantiques dans le contexte de la détection quantique offre une voie attrayante vers de nouveaux dispositifs qui, finalement, promettent de pousser la sensibilité des magnétomètres à un ou quelques qubits vers et au-delà des limites des capteurs de champ magnétique actuels.