El campo de la detección cuántica se ocupa del diseño y la ingeniería de fuentes cuánticas (por ejemplo, entrelazadas) y mediciones cuánticas que pueden superar el rendimiento de cualquier estrategia clásica en una serie de aplicaciones tecnológicas. Esto se puede hacer con sistemas fotónicos [1] o sistemas de estado sólido . [2]
La detección cuántica utiliza propiedades de la mecánica cuántica, como el entrelazamiento cuántico, la interferencia cuántica y la compresión del estado cuántico, que han optimizado la precisión y superan los límites de corriente en la tecnología de sensores y evaden el principio de incertidumbre de Heisenberg . [3]
La detección cuántica fotónica aprovecha el entrelazamiento , los fotones individuales y los estados comprimidos para realizar mediciones extremadamente precisas. La detección óptica hace uso de sistemas cuánticos variables continuos, como diferentes grados de libertad del campo electromagnético, modos vibratorios de sólidos y condensados de Bose-Einstein . [4] Estos sistemas cuánticos se pueden probar para caracterizar una transformación desconocida entre dos estados cuánticos. Existen varios métodos para mejorar los sensores fotónicos, como la iluminación cuántica de objetivos, que se ha utilizado para mejorar la detección de señales débiles mediante el uso de correlación cuántica. [5] [6] [7] [8]
En fotónica y óptica cuántica, los sensores cuánticos a menudo se construyen sobre sistemas de variables continuas, es decir, sistemas cuánticos caracterizados por grados continuos de libertad como cuadraturas de posición y momento. El mecanismo de trabajo básico generalmente se basa en los estados ópticos de la luz, que a menudo involucran propiedades mecánicas cuánticas como la compresión o el entrelazamiento de dos modos. [1] Estos estados son sensibles a las transformaciones físicas que se detectan mediante mediciones interferométricas. [4]
La detección cuántica también se puede utilizar en áreas no fotónicas como qubits de espín , iones atrapados y qubits de flujo . [2] Estos sistemas pueden compararse por las características físicas a las que responden, por ejemplo, los iones atrapados responden a campos eléctricos, mientras que los sistemas de espín responderán a campos magnéticos. [2] Los iones atrapados son útiles en sus niveles de movimiento cuantificados que están fuertemente acoplados al campo eléctrico. Se han propuesto para estudiar el ruido del campo eléctrico por encima de las superficies [9] y, más recientemente, los sensores de rotación. [10]
En física del estado sólido, un sensor cuántico es un dispositivo cuántico que responde a un estímulo. Por lo general, esto se refiere a un sensor que, que tiene niveles de energía cuantificados , usa coherencia cuántica para medir una cantidad física o usa entrelazamiento para mejorar las mediciones más allá de lo que se puede hacer con los sensores clásicos. [2] Hay 4 criterios para los sensores cuánticos de estado sólido: [2]
- El sistema debe tener niveles de energía discretos y resolubles.
- Puede inicializar el sensor y puede realizar una lectura (encender y obtener respuesta).
- Puede manipular coherentemente el sensor.
- El sensor interactúa con una cantidad física y tiene alguna respuesta a esa cantidad.
Investigación y aplicaciones en curso
Los sensores cuánticos tienen aplicaciones en una amplia variedad de campos que incluyen microscopía, sistemas de posicionamiento, tecnología de la comunicación, sensores de campo eléctrico y magnético, así como áreas de investigación geofísica como la prospección de minerales y la sismología . [2] Muchos dispositivos de medición utilizan propiedades cuánticas para sondear mediciones tales como relojes atómicos , dispositivos de interferencia cuántica superconductores y espectroscopía de resonancia magnética nuclear . [2] [11] Con los nuevos avances tecnológicos, los sistemas cuánticos individuales se pueden utilizar como dispositivos de medición, utilizando entrelazamiento , superposición , interferencia y compresión para mejorar la sensibilidad y superar el rendimiento de las estrategias clásicas.
Un buen ejemplo de un sensor cuántico temprano es un fotodiodo de avalancha (ADP). Los ADP se han utilizado para detectar fotones entrelazados . Con refrigeración adicional y mejoras en los sensores, se pueden utilizar tubos fotomultiplicadores (PMT) en campos como la imagen médica. Los APD, en forma de matrices apiladas 2-D e incluso 3-D, se pueden utilizar como un reemplazo directo de los sensores convencionales basados en diodos de silicio . [12]
La Agencia de Proyectos de Investigación Avanzada de Defensa (DARPA) lanzó un programa de investigación en sensores cuánticos ópticos que busca explotar ideas de la metrología cuántica y la imagen cuántica , como la litografía cuántica y el estado NOON , [13] para lograr estos objetivos con sensor óptico sistemas como lidar . [14] [15] [16]
Para los sistemas fotónicos, las áreas de investigación actuales consideran la retroalimentación y los protocolos adaptativos. Esta es un área activa de investigación en discriminación y estimación de la pérdida bosónica. [17]
La inyección de luz exprimida en interferómetros permite una mayor sensibilidad a las señales débiles que no podrían detectarse clásicamente. [3] Una aplicación práctica de la detección cuántica se realiza en la detección de ondas gravitacionales. [18] Los detectores de ondas gravitacionales , como LIGO , utilizan luz comprimida para medir señales por debajo del límite cuántico estándar . [19] La luz comprimida también se ha utilizado para detectar señales por debajo del límite cuántico estándar en sensores plasmónicos y microscopía de fuerza atómica . [20]
La detección cuántica también tiene la capacidad de superar los límites de resolución, donde los problemas actuales de diferenciación entre dos frecuencias cercanas se pueden superar haciendo desaparecer el ruido de proyección. [21] [22] La disminución del ruido de proyección tiene aplicaciones directas en protocolos de comunicación y resonancia magnética nano-nuclear. [23] [24]
El entrelazamiento se puede utilizar para mejorar los relojes atómicos existentes [25] o crear magnetómetros más sensibles . [26] [27] El radar cuántico también es un área activa de investigación. Los radares clásicos actuales pueden interrogar a muchos contenedores de objetivos, mientras que los radares cuánticos están limitados a una sola polarización o rango. [28]
Referencias
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