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I sensori quantistici potrebbero finalmente ignorare il rumore
Un gruppo guidato dal Quantum Science Center della Greater Bay Area cinese ha sperimentato un nuovo modo di costruire sensori quantistici capaci di adattarsi ai disturbi dell'hardware. Il sistema non elimina fisicamente il rumore: cerca lo stato quantistico che riesce a funzionare meglio nonostante la sua presenza. Nel primo test, condotto su sette qubit, la precisione è aumentata rispetto a quella ottenuta con una sonda entangled convenzionale. Il lavoro è stato pubblicato su Physical Review Letters.
I sensori quantistici sfruttano fenomeni come l'entanglement per rilevare campi magnetici, gravitazionali o elettromagnetici estremamente deboli. Gli stessi stati delicati che offrono questa sensibilità, però, possono essere alterati dall'ambiente e dalle imperfezioni dei componenti. Il gruppo ha quindi impiegato un circuito quantistico variazionale, cioè una sequenza di operazioni regolabili che prepara diverse sonde e ne modifica progressivamente i parametri.
Per giudicare ogni candidata, la procedura usa un OTOC, una quantità che descrive come una perturbazione si propaga nel tempo attraverso un sistema quantistico. Studi precedenti avevano collegato questa misura all'informazione quantistica di Fisher, che stabilisce quanta informazione uno stato contiene sul parametro da stimare e fornisce un limite teorico all'incertezza della misura.
Il ciclo operativo comprende la preparazione di una sonda candidata, la codifica del parametro da misurare e la valutazione sperimentale tramite OTOC. Il circuito viene poi aggiornato e la procedura riparte. In questo modo la metrologia quantistica non deve conoscere in anticipo un modello completo del rumore, un vantaggio quando le perturbazioni reali sono troppo complesse per essere calcolate o simulate con precisione.
La dimostrazione ha utilizzato un sensore a sette qubit basato su spin nucleari per misurare un campo magnetico fisso. La sonda trovata dal circuito ha migliorato la precisione fino a 0,698 decibel rispetto a uno stato GHZ standard, una configurazione massimamente entangled spesso adottata come riferimento. Il guadagno è contenuto, ma mostra che lo stato teoricamente più entangled non è necessariamente quello più efficace su un dispositivo rumoroso.
Su sistemi più grandi, la stessa strategia potrebbe produrre strumenti più affidabili per imaging magnetico, navigazione, caratterizzazione dei materiali e misure di laboratorio. Per chi segue l'hardware quantistico, il passaggio decisivo è l'ottimizzazione eseguita direttamente sul dispositivo, senza affidarsi soltanto a condizioni ideali simulate. La prudenza resta necessaria, come mostra anche la nostra analisi sui risultati quantistici forse sopravvalutati: una dimostrazione controllata non equivale ancora a un vantaggio operativo su scala industriale.
Lo studio rimane infatti preliminare e riguarda appena sette qubit. La strategia individua una buona sonda, ma per raggiungere il limite di precisione previsto deve essere ottimizzata anche la fase di lettura. I ricercatori puntano a integrare preparazione e misurazione in un unico processo e a verificare il metodo su hardware con centinaia di qubit. Solo questi esperimenti chiariranno se il vantaggio sopravvive all'aumento di scala e alla maggiore complessità del rumore.
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