Crédit :Lion_on_helium/MIPT
Des chercheurs de l'Institut de physique et de technologie de Moscou (MIPT), Université Aalto en Finlande, et l'ETH Zurich ont démontré un prototype d'appareil qui utilise les effets quantiques et l'apprentissage automatique pour mesurer les champs magnétiques avec plus de précision que ses analogues classiques. De telles mesures sont nécessaires pour rechercher des gisements minéraux, découvrir des objets astronomiques lointains, diagnostiquer des troubles cérébraux, et créer de meilleurs radars.
"Quand vous étudiez la nature, que vous enquêtiez sur le cerveau humain ou sur une explosion de supernova, vous avez toujours affaire à une sorte de signaux électromagnétiques, " explique Andrey Lebedev, un co-auteur de l'article décrivant le nouveau dispositif dans Informations quantiques npj . « Donc, la mesure des champs magnétiques est nécessaire dans divers domaines de la science et de la technologie, et on voudrait le faire aussi précisément que possible."
Le magnétomètre quantique offre plus de précision
Un magnétomètre est un instrument qui mesure les champs magnétiques. Une boussole est un exemple de magnétomètre primitif. Dans un magasin d'électronique, on peut trouver des appareils plus avancés de ce genre utilisés par les archéologues. Les détecteurs de mines militaires et les détecteurs de métaux dans les aéroports sont également des magnétomètres.
Il existe une limitation fondamentale de la précision de ces instruments, connue sous le nom de limite quantique standard. Essentiellement, il dit que pour doubler la précision, une mesure doit durer quatre fois plus longtemps. Cette règle s'applique à tout appareil classique, c'est-à-dire qui n'utilise pas les effets bizarres de la physique quantique.
« Cela peut sembler insignifiant, mais pour gagner 1, 000 fois en précision, vous auriez à exécuter l'expérience 1 million de fois plus longtemps. Considérant que certaines mesures prennent des semaines pour commencer, il y a de fortes chances que vous subissiez une coupure de courant ou que vous manquiez de fonds avant la fin de l'expérience, " dit Lebedev, qui est un chercheur de premier plan au Laboratoire de physique des technologies de l'information quantique, MIPT.
Atteindre une plus grande précision, et donc des temps de mesure plus courts, est cruciale lorsque des échantillons fragiles ou des tissus vivants sont examinés. Par exemple, lorsqu'un patient subit une tomographie par émission de positons, également connu sous le nom de PET scan, des traceurs radioactifs sont introduits dans la circulation sanguine, et plus le détecteur est sensible, plus la dose nécessaire est petite.
En théorie, la technologie quantique permet de doubler la précision d'une mesure en la répétant deux fois au lieu de quatre fois comme dans le cas d'un magnétomètre classique. L'article rapporté dans cette histoire détaille la première tentative réussie de mettre ce principe en pratique en utilisant un qubit supraconducteur comme appareil de mesure.
Figure 1. Empreinte digitale du magnétomètre. Les couleurs indiquent la probabilité de détecter le qubit dans l'état excité juste après la deuxième impulsion micro-onde. Le jaune signifie que l'état excité est très probable, tandis que le bleu signifie que c'est peu probable. Cette probabilité dépend du délai entre les deux impulsions (axe horizontal) et le champ magnétique extérieur (axe vertical). Chaque magnétomètre est caractérisé par une empreinte digitale unique :aucun instrument ne se ressemble. Crédit :S. Danilin, A. Lebedev et al./npj Informations quantiques
Les qubits mesurent les champs magnétiques
Un qubit est une particule qui obéit aux lois de la physique quantique et peut occuper simultanément deux états de base discrets dans ce qu'on appelle une superposition. Cette notion renvoie à une multitude d'états « intermédiaires », dont chacun s'effondre dans l'un des deux états de base dès qu'il est mesuré. Un exemple de qubit est un atome d'hydrogène dont les deux états de base sont l'état fondamental et l'état excité.
Dans l'étude de Lebedev et ses co-auteurs, le qubit a été réalisé comme un atome artificiel supraconducteur, une structure microscopique faite de minces films d'aluminium et déposée sur une puce de silicium conservée dans un réfrigérateur puissant. A des températures proches du zéro absolu, cet appareil se comporte comme un atome. En particulier, en absorbant une partie spécifique du rayonnement micro-ondes fourni au qubit via un câble, il peut entrer dans une superposition équilibrée des deux états de base. Si l'état de l'appareil est alors vérifié, la mesure détectera le sol et l'état excité avec une probabilité égale de 50 pour cent.
Les qubits supraconducteurs se distinguent par leur sensibilité aux champs magnétiques, qui peut être utilisé pour faire des mesures. Une fois qu'une impulsion de rayonnement micro-ondes appropriée est utilisée pour entraîner le dispositif dans une superposition équilibrée des états fondamental et excité, ce nouvel état commence à changer de manière prévisible avec le temps. Pour suivre ce changement d'état, qui est fonction du champ magnétique externe, les chercheurs ont envoyé une deuxième impulsion micro-ondes à l'appareil après un bref délai et ont mesuré la probabilité de trouver le qubit dans l'état excité. Cette probabilité, qui a été calculé sur de nombreuses expériences identiques effectuées en succession rapide, indique la force du champ magnétique. La précision de cette technologie quantique dépasse la limite quantique standard.
Formation Qubit
"Un qubit physique réel est imparfait. C'est un appareil artificiel, plutôt qu'une abstraction mathématique. Au lieu d'utiliser une formule théorique, on entraîne le qubit avant de faire des mesures réelles, " dit Lebedev. " C'est la première fois que l'apprentissage automatique est appliqué à un magnétomètre quantique, " il ajoute.
La formation Qubit consiste à effectuer de nombreuses mesures préliminaires dans des conditions contrôlées avec des délais prédéterminés entre les impulsions et dans une gamme de champs magnétiques connus. Les auteurs ont ainsi déterminé la probabilité de détecter l'état excité suite à la séquence de deux impulsions pour un champ et un retard d'impulsion arbitraires. Les chercheurs ont tracé leurs découvertes sur un diagramme, qui sert d'empreinte digitale pour l'appareil individuel utilisé dans l'étude, compte de toutes ses imperfections.
L'intérêt de l'empreinte de l'échantillon est que les temps de retard entre les impulsions peuvent être optimisés lors de mesures répétées. "Nous effectuons des mesures adaptatives, " dit Lebedev. " Au premier pas, nous prenons une mesure compte tenu d'un certain délai entre les impulsions micro-ondes. Puis, selon le résultat, nous laissons notre algorithme de reconnaissance de formes décider comment définir le délai pour la prochaine itération. Cela se traduit par une plus grande précision sur moins de mesures."
Figure 2. Tous les états possibles d'un qubit peuvent être visualisés sous forme de sphère, où les deux pôles N et S représentent les états fondamental et excité, respectivement. Tous les autres points de la sphère, tels que ceux désignés par des cases vides en a), correspondent à des états de superposition, qui sont également autorisés par les lois de la physique quantique. Cependant, à chaque fois que ces autres états sont « vérifiés » par un observateur, ils s'effondrent dans l'un des deux états de base. Cela dit, les états sur l'équateur s'effondrent dans le sol ou l'état excité avec une probabilité égale, mais les états ailleurs me sont plus ou moins susceptibles d'être mesurés comme excités. Dans l'image b), le point représentant l'état du qubit tourne sous l'effet d'un champ externe. Crédit :Lion_on_helium/MIPT
Qubits dans le labo, hôpital, et l'espace extra-atmosphérique
Jusque là, le dispositif prototype et les qubits supraconducteurs ne fonctionnent qu'à environ 0,02 degré au-dessus du zéro absolu, qui est défini comme -273,15 degrés Celsius. "C'est une quinzaine, 000 fois plus froid que la température ambiante, » précise Lebedev. « Les ingénieurs travaillent à augmenter la température de fonctionnement de tels appareils à 4 kelvins [-269 C]. Cela rendrait possible le refroidissement par l'hélium liquide, rendre la technologie commercialement viable.
Le prototype a été testé sur un champ magnétique statique, mais les champs variables dans le temps ou transitoires peuvent être mesurés de la même manière. L'équipe de recherche mène déjà des expériences avec des champs variables, élargissant la gamme potentielle d'applications de leur appareil.
Par exemple, un magnétomètre quantique pourrait être monté sur un satellite pour observer des phénomènes astronomiques trop faibles pour les instruments classiques. Idéalement, les conditions d'espace glaciales rendent le refroidissement un peu moins problématique. Outre, un système de magnétomètres quantiques pourrait fonctionner comme un radar ultrasensible. D'autres applications de ces instruments non classiques comprennent les IRM, prospection minière, et la recherche sur la structure des biomolécules et les matériaux inorganiques.
Comment extraire des informations sur le champ externe d'un qubit
Une fois la première impulsion micro-onde absorbée par le magnétomètre, il entre dans une superposition des états fondamental et excité. Cela peut être visualisé en imaginant les deux états de base du qubit comme les deux pôles d'une sphère, où chaque autre point sur la sphère représente un état de superposition. Dans cette analogie, la première impulsion entraîne l'état du qubit du pôle nord - l'état fondamental - à un certain point de l'équateur (figure 2a). Une mesure directe de cet état de superposition équilibrée entraînerait la détection de l'état fondamental ou excité avec des cotes paires.
Après la première impulsion, le qubit devient sensible au champ extérieur. Cela se manifeste par un changement prévisible de l'état quantique de l'appareil. Il peut être représenté comme un point tournant le long de l'équateur d'une sphère (figure 2b). À quelle vitesse ce point tourne, dépend de la force du champ extérieur. Cela signifie qu'en trouvant un moyen de mesurer l'angle de rotation X sur une période de temps connue, le champ peut être quantifié.
Le principal défi est de faire la distinction entre les différents états sur l'équateur :à moins qu'une astuce ne soit utilisée, la mesure renverrait l'état excité exactement 50 pour cent du temps. C'est pourquoi les physiciens ont envoyé une seconde impulsion micro-onde au qubit et n'ont ensuite vérifié son état. L'idée derrière la deuxième impulsion est qu'elle déplace de manière prévisible l'état de l'appareil hors de l'équateur, dans l'un des hémisphères. Maintenant, les chances de mesurer un état excité dépendent de la rotation de l'état depuis la première impulsion, C'est, angle X. En répétant plusieurs fois la séquence de deux impulsions et une mesure, les auteurs ont calculé la probabilité d'un état excité, et donc l'angle X et la force du champ magnétique. Ce principe sous-tend le fonctionnement de leur magnétomètre.
