Des chercheurs développent un cadre général pour la conception de capteurs quantiques

Des chercheurs de l’Université d’État de Caroline du Nord et du Massachusetts Institute of Technology ont conçu un protocole permettant d’exploiter la puissance des capteurs quantiques. Ce protocole pourrait permettre aux concepteurs de capteurs d’ajuster avec précision les systèmes quantiques pour détecter les signaux d’intérêt, créant ainsi des capteurs beaucoup plus sensibles que les capteurs traditionnels.

Un article décrivant le travail est publié dans la revue Quantum.

« La détection quantique promet des capacités de détection plus puissantes, qui peuvent approcher la limite fondamentale fixée par la loi de la mécanique quantique, mais le défi consiste à pouvoir diriger ces capteurs pour trouver les signaux que nous voulons », explique Yuan Liu, professeur adjoint de génie électrique et informatique et d’informatique à l’université d’État de Caroline du Nord et auteur correspondant de la recherche. Liu était auparavant chercheur postdoctoral au MIT.

« Notre idée s’inspire des principes classiques de conception de filtres de traitement de signal couramment utilisés par les ingénieurs électriciens », explique Liu. « Nous avons généralisé ces conceptions de filtres aux systèmes de détection quantique, ce qui nous permet de « peaufiner » ce qui est essentiellement un système quantique à dimension infinie en le couplant à un système quantique simple à deux niveaux. »

Plus précisément, les chercheurs ont conçu un cadre algorithmique qui associe un qubit à un oscillateur bosonique. Les qubits, ou bits quantiques, sont l’équivalent de l’informatique quantique des bits de l’informatique classique : ils stockent des informations quantiques et ne peuvent se trouver que dans une superposition de deux états de base : ├ |0⟩, ├ |1⟩. Les oscillateurs bosoniques sont l’analogue quantique des oscillateurs classiques (pensez au mouvement d’un pendule) et ils partagent des caractéristiques similaires aux oscillateurs classiques, mais leurs états ne se limitent pas à une combinaison linéaire de seulement deux états de base : ce sont des systèmes à dimension infinie.

« La manipulation de l’état quantique d’un capteur à dimension infinie est compliquée, nous commençons donc par simplifier la question », explique Liu. « Au lieu d’essayer de déterminer la quantité de nos cibles, nous posons simplement une question de décision : la cible a-t-elle la propriété X ? Nous pouvons ensuite concevoir la manipulation de l’oscillateur pour répondre à cette question. »

En couplant le capteur dimensionnel infini au qubit bidimensionnel et en manipulant ce couplage, le capteur pourrait être réglé sur un signal d’intérêt. L’interférométrie est utilisée pour encoder les résultats dans l’état du qubit qui est ensuite mesuré pour la lecture.

« Ce couplage nous donne une idée de l’oscillateur bosonique, nous pourrions donc utiliser une fonction polynomiale (des mathématiques qui décrivent les formes d’onde) pour concevoir la fonction d’onde de l’oscillateur afin qu’elle prenne une forme particulière, adaptant ainsi le capteur à la cible d’intérêt », explique Liu.

« Une fois que le signal se produit, nous annulons la mise en forme, ce qui crée des interférences dans le système dimensionnel infini qui reviennent sous forme d’un résultat lisible – une fonction polynomiale déterminée par la transformation polynomiale d’origine de l’oscillateur et du signal sous-jacent – dans le système à deux niveaux du qubit. En d’autres termes, nous obtenons une réponse « oui » ou « non » à la question de savoir si l’objet que nous recherchons est là. Et le meilleur dans tout cela, c’est que nous n’avons besoin de mesurer le qubit qu’une seule fois pour en extraire une réponse – c’est une mesure « en une seule fois ». »

Les chercheurs considèrent que ce travail fournit un cadre général pour la conception de protocoles de détection quantique pour une variété de capteurs quantiques.

« Notre travail est utile car il utilise de manière assez simple les ressources quantiques facilement disponibles dans les principaux équipements quantiques (notamment les ions piégés, les plateformes supraconductrices et les atomes neutres), explique Liu. Cette approche sert d’alarme ou d’indicateur de la présence d’un signal, sans nécessiter de mesures répétées coûteuses. C’est un moyen puissant d’extraire efficacement des informations utiles d’un système dimensionnel infini. »

Jasmine Sinanan-Singh et Gabriel Mintzer, tous deux étudiants diplômés du MIT, sont co-auteurs principaux de l’étude. Isaac L. Chuang, professeur de physique, de génie électrique et d’informatique au MIT, a également contribué à ce travail.