Técnicas quânticas baseadas em IA aumentam seis vezes a sensibilidade do magnetômetro

• Pesquisadores desenvolvem um novo método para medir campos magnéticos usando sistema quântico e técnicas de aprendizado de máquina.
• Eles alcançam uma sensibilidade 6 vezes maior do que a que pode ser alcançada com técnicas convencionais. 

Existem certos limites para a precisão com que se pode medir as coisas. Pegue uma imagem de raio X, por exemplo, ela é bastante desfocada e requer um médico especialista para interpretá-la adequadamente. Embora uma intensidade mais elevada e tempos de exposição mais longos possam melhorar o contraste entre vários tecidos, uma quantidade tão grande de radiação não é segura para os seres humanos.

Você deve estar ciente do limite quântico padrão, que diz que a precisão da medição é inversamente proporcional à raiz quadrada de determinados recursos. Quanto mais você aplica recursos – potência de radiação, tempo, número de imagens – mais precisa se torna sua medição. Portanto, maior precisão significa usar recursos extensivos.

Agora, uma equipe internacional de físicos do MIPT, da Universidade Aalto, do Instituto Landau e do Departamento de Física da ETH Zurique desenvolveu um método melhor para medir campos magnéticos usando sistema quântico e técnicas de aprendizado de máquina.

Eles demonstraram um magnetômetro com precisão além do limite quântico padrão. Vamos descobrir como eles o desenvolveram.

Usando Qubit para medir campos magnéticos com alta sensibilidade

Os pesquisadores melhoraram a precisão das medições do campo magnético, aproveitando a coerência de um qubit, um átomo artificial supercondutor. É um dispositivo muito pequeno feito de tiras de alumínio sobrepostas em um chip de silício – a mesma técnica é usada para fabricar processadores de celulares e computadores.

Um qubit realizado a partir de tiras de alumínio em um chip de silício | Crédito da imagem: Babi Brasileiro / Universidade Aalto

Quando o dispositivo é exposto a temperaturas muito baixas, a corrente flui através dele com resistência quase zero, e o dispositivo começa a apresentar propriedades da mecânica quântica semelhantes às dos átomos reais. Na verdade, seu momento magnético intrínseco é cerca de 100.000 vezes maior que o dos átomos/íons reais.

O estado do qubit muda quando ele é irradiado com um pulso de micro-ondas. Esta mudança depende do campo magnético externo aplicado. Assim, para conhecer o campo magnético, basta medir o átomo.

Em um detector de campo magnético baseado em qubit, a coerência entre 2 estados (superposições coerentes de estados quânticos) oscila na frequência do campo magnético que penetra no dispositivo. Quanto maior a taxa de mudança de fase da função de onda puder ser medida, maior será a precisão.

Referência:npj Informações Quânticas | doi:10.1038/s41534-018-0078-y | ETH Zurique

No entanto, isso não fornecerá precisões além do limite quântico padrão. Você tem que aplicar outro truque, ou seja, reconhecimento de padrões usando aprendizado de máquina.

Os pesquisadores aplicaram uma abordagem adaptativa. Eles realizaram uma medição e alimentaram o resultado com algoritmos de aprendizado de máquina. Em seguida, eles deixaram a IA decidir como alterar um parâmetro de controle na próxima etapa para chegar à estimativa mais rápida do campo magnético.

Isto permitiu-lhes atingir uma sensibilidade aproximadamente 6 vezes superior à que pode ser alcançada com técnicas convencionais.

Conclusão

Esta combinação de utilização de hardware quântico e algoritmos de aprendizado de máquina supervisionados no contexto de detecção quântica promete magnetômetros de um ou vários qubits que podem fornecer precisões além dos limites dos atuais detectores de campo magnético.

Leia:A primeira simulação do núcleo atômico em um computador quântico

A detecção de campo magnético é crucial em uma ampla gama de campos, desde imagens de atividades cerebrais até processamento geológico. É um pequeno passo em direção ao uso de métodos quânticos aprimorados para tecnologia de sensores.