Les techniques quantiques basées sur l'IA multiplient par six la sensibilité du magnétomètre

• Des chercheurs développent une nouvelle méthode pour mesurer les champs magnétiques à l'aide de systèmes quantiques et de techniques d'apprentissage automatique.
• Ils atteignent une sensibilité 6 fois supérieure à celle pouvant être obtenue avec les techniques conventionnelles. 

Il existe certaines limites à la précision avec laquelle on peut mesurer les choses. Prenez par exemple une image radiographique, elle est assez floue et nécessite un médecin expert pour l’interpréter correctement. Bien qu'une intensité plus élevée et des temps d'exposition plus longs puissent améliorer le contraste entre plusieurs tissus, une telle quantité de rayonnement n'est pas sans danger pour les humains.

Vous connaissez peut-être la limite quantique standard, qui stipule que la précision des mesures est inversement proportionnelle à la racine carrée des ressources données. Plus vous appliquez de ressources (puissance de rayonnement, temps, nombre d’images), plus votre mesure devient précise. Ainsi, une plus grande précision signifie utiliser des ressources étendues.

Aujourd'hui, une équipe internationale de physiciens du MIPT, de l'Université Aalto, de l'Institut Landau et du Département de physique de l'ETH Zurich a mis au point une meilleure méthode pour mesurer les champs magnétiques à l'aide de techniques de système quantique et d'apprentissage automatique.

Ils ont démontré un magnétomètre d’une précision dépassant la limite quantique standard. Voyons comment ils l'ont développé.

Utiliser Qubit pour mesurer les champs magnétiques avec une sensibilité élevée

Les chercheurs ont amélioré la précision des mesures du champ magnétique en exploitant la cohérence d’un qubit, un atome artificiel supraconducteur. Il s'agit d'un très petit appareil composé de bandes d'aluminium superposées sur une puce de silicium :la même technique est utilisée pour fabriquer des processeurs mobiles et informatiques.

Un qubit réalisé à partir de bandes d'aluminium sur une puce de silicium | Crédit image : Babi Brasileiro / Université Aalto

Lorsque l’appareil est exposé à des températures très basses, le courant le traverse avec une résistance presque nulle et l’appareil commence à montrer des propriétés de mécanique quantique similaires à celles des atomes réels. En fait, son moment magnétique intrinsèque est environ 100 000 fois supérieur à celui des atomes/ions réels.

L’état du qubit change lorsqu’il est irradié par une impulsion micro-onde. Ce changement dépend du champ magnétique externe appliqué. Ainsi, pour connaître le champ magnétique, il suffit de mesurer l'atome.

Dans un détecteur de champ magnétique basé sur qubits, la cohérence entre 2 états (superpositions cohérentes d'états quantiques) oscille à la fréquence du champ magnétique qui pénètre dans le dispositif. Plus le taux de changement de phase de la fonction d'onde peut être mesuré, plus la précision est élevée.

Référence :npj Quantum Information | est ce que je:10.1038/s41534-018-0078-y | ETH Zurich

Cependant, cela ne vous donnera pas de précisions au-delà de la limite quantique standard. Vous devez appliquer une autre astuce, c'est-à-dire la reconnaissance de formes utilisant l'apprentissage automatique.

Les chercheurs ont appliqué une approche adaptative. Ils ont effectué une mesure et transmis le résultat aux algorithmes d’apprentissage automatique. Ensuite, ils ont laissé l'IA décider comment modifier un paramètre de contrôle à l'étape suivante pour obtenir l'estimation la plus rapide du champ magnétique.

Cela leur a permis d'atteindre une sensibilité environ 6 fois supérieure à celle pouvant être obtenue avec les techniques conventionnelles.

Conclusion

Cette combinaison d'utilisation de matériel quantique et d'algorithmes d'apprentissage automatique supervisés dans le contexte de la détection quantique promet des magnétomètres à un ou plusieurs qubits capables de fournir des précisions dépassant les limites des détecteurs de champ magnétique actuels.

Lire : La première simulation d'un noyau atomique sur un ordinateur quantique

La détection des champs magnétiques est cruciale dans un large éventail de domaines, de l’imagerie des activités cérébrales au traitement géologique. Il s'agit d'un petit pas vers l'utilisation de méthodes quantiques améliorées pour la technologie des capteurs.