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Sensor cuántico

Dentro de la tecnología cuántica , un sensor cuántico 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 han superado los límites actuales en la tecnología de sensores . [1] 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. [2] Esto se puede hacer con sistemas fotónicos [3] o sistemas de estado sólido . [4]

Características

En fotónica y óptica cuántica , 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 continuamente variables, como diferentes grados de libertad del campo electromagnético, modos vibracionales de sólidos y condensados ​​de Bose-Einstein . [5] Estos sistemas cuánticos se pueden sondear para caracterizar una transformación desconocida entre dos estados cuánticos. Existen varios métodos para mejorar la iluminación cuántica de los objetivos de los sensores fotónicos, que se han utilizado para mejorar la detección de señales débiles mediante el uso de la correlación cuántica. [6] [7] [8] [9] [10]

Los sensores cuánticos suelen construirse sobre sistemas de variación continua, es decir, sistemas cuánticos caracterizados por grados de libertad continuos, como cuadraturas de posición y momento. El mecanismo de funcionamiento básico suele depender de estados ópticos de la luz, que a menudo implican propiedades mecánicas cuánticas, como la compresión o el entrelazamiento de dos modos. [3] Estos estados son sensibles a las transformaciones físicas que se detectan mediante mediciones interferométricas. [5]

La detección cuántica también se puede utilizar en áreas no fotónicas como los qubits de espín , los iones atrapados , los qubits de flujo [4] y las nanopartículas [11] . Estos sistemas se pueden comparar 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 [4] . Los iones atrapados son útiles en sus niveles de movimiento cuantizados que están fuertemente acoplados al campo eléctrico. Se han propuesto para estudiar el ruido del campo eléctrico sobre superficies [12] y, más recientemente, sensores de rotación [13] .

En física del estado sólido, un sensor cuántico es un dispositivo cuántico que responde a un estímulo. Por lo general, se refiere a un sensor que, con niveles de energía cuantizados , utiliza la coherencia cuántica para medir una cantidad física o utiliza el entrelazamiento para mejorar las mediciones más allá de lo que se puede hacer con los sensores clásicos. [4] Hay 4 criterios para los sensores cuánticos de estado sólido: [4]

  1. El sistema debe tener niveles de energía discretos y resolubles.
  2. Puede inicializar el sensor y realizar la lectura (encenderlo y obtener la respuesta).
  3. Puedes manipular el sensor de forma coherente.
  4. El sensor interactúa con una cantidad física y tiene alguna respuesta a esa cantidad.

Investigación y aplicaciones

Los sensores cuánticos tienen aplicaciones en una amplia variedad de campos, incluyendo microscopía, sistemas de posicionamiento, tecnología de comunicación, sensores de campo eléctrico y magnético, así como áreas geofísicas de investigación como prospección de minerales y sismología . [4] Muchos dispositivos de medición utilizan propiedades cuánticas para sondear mediciones como relojes atómicos , dispositivos superconductores de interferencia cuántica y espectroscopia de resonancia magnética nuclear . [4] [14] 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 (APD). Los APD se han utilizado para detectar fotones entrelazados. Con refrigeración adicional y mejoras en el sensor, se pueden utilizar tubos fotomultiplicadores (PMT) en campos como la imagenología médica. Los APD, en forma de matrices apiladas 2-D e incluso 3-D, se pueden utilizar como reemplazo directo de sensores convencionales basados ​​en diodos de silicio . [15]

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 , [16] con el fin de lograr estos objetivos con sistemas de sensores ópticos como el lidar . [6] [17] [18] [19] Estados Unidos juzga que la detección cuántica es la más madura de las tecnologías cuánticas para uso militar, reemplazando teóricamente al GPS en áreas sin cobertura o posiblemente actuando con capacidades ISR o detectando estructuras o vehículos submarinos o subterráneos, así como material nuclear . [20]

Sensores cuánticos fotónicos, microscopía y detectores de ondas gravitacionales

En el caso de los sistemas fotónicos, las áreas de investigación actuales consideran la retroalimentación y los protocolos adaptativos. Esta es un área activa de investigación en la discriminación y estimación de la pérdida bosónica. [21]

La inyección de luz comprimida en interferómetros permite una mayor sensibilidad a señales débiles que no podrían detectarse clásicamente. [1] Una aplicación práctica de la detección cuántica se realiza en la detección de ondas gravitacionales. [22] Los detectores de ondas gravitacionales , como LIGO , utilizan luz comprimida para medir señales por debajo del límite cuántico estándar . [23] La luz comprimida también se ha utilizado para detectar señales por debajo del límite cuántico estándar en sensores plasmónicos y microscopía de fuerza atómica . [24]

Usos de la eliminación del ruido de proyección

La detección cuántica también tiene la capacidad de superar los límites de resolución, donde los problemas actuales de desaparición de la distinción entre dos frecuencias cercanas se pueden superar haciendo que el ruido de proyección desaparezca. [25] [26] El ruido de proyección decreciente tiene aplicaciones directas en protocolos de comunicación y resonancia magnética nanonuclear. [27] [28]

Otros usos del entrelazamiento

El entrelazamiento se puede utilizar para mejorar los relojes atómicos existentes [29] [30] [31] o crear magnetómetros más sensibles . [32] [33]

Radares cuánticos

El radar cuántico también es un área activa de investigación. Los radares clásicos actuales pueden interrogar a muchos grupos de objetivos, mientras que los radares cuánticos están limitados a una única polarización o rango. [34] Un radar cuántico de prueba de concepto o un iluminador cuántico que utiliza microondas entrelazadas cuánticas fue capaz de detectar objetos de baja reflectividad a temperatura ambiente, lo que puede ser útil para mejorar los sistemas de radar, los escáneres de seguridad y los sistemas de imágenes médicas. [35] [36] [37]

Neuroimagen

En neuroimagen , el primer escáner cerebral cuántico utiliza imágenes magnéticas y podría convertirse en un novedoso método de escaneo de todo el cerebro. [38] [39]

Cartografía gravitacional de subterráneos

También se están desarrollando gradiómetros de gravedad cuántica que podrían utilizarse para cartografiar e investigar el subsuelo. [40] [41]

Referencias

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