Тёмная материя — загадочное вещество, удерживающее галактики вместе, — одна из величайших нерешённых проблем физики. Хотя её нельзя увидеть или ощутить напрямую, учёные верят, что тёмная материя оставляет слабые сигналы, которые можно уловить с помощью высокочувствительных квантовых устройств.
В новом исследовании, опубликованном в журнале Physical Review D, учёные из Университета Тохоку предлагают способ повысить чувствительность квантовых датчиков, соединив их в тщательно продуманных сетевых структурах. Эти квантовые датчики используют правила квантовой физики для обнаружения чрезвычайно слабых сигналов, что делает их гораздо более чувствительными, чем обычные датчики.
Использование квантовых сетей для поиска тёмной материи
Исследование фокусируется на сверхпроводящих кубитах — крошечных электрических схемах, охлаждённых до очень низких температур. Обычно эти кубиты используются в качестве строительных блоков квантовых компьютеров, но здесь они выступают в роли мощных квантовых датчиков.
Команда протестировала различные сетевые схемы, такие как кольцевые, линейные, звёздные и полностью связанные графы, используя системы из четырёх и девяти кубитов. Затем они применили вариационную квантовую метрологию (метод, аналогичный обучению модели машинного обучения) для оптимизации подготовки и измерения квантовых состояний. Чтобы уточнить результаты, была использована байесовская оценка для фильтрации шума, подобно тому как мы улучшаем размытое изображение.
Результаты были поразительными: оптимизированные сети последовательно превосходили традиционные методы, даже при введении реалистичного шума. Это показывает, что подход может работать на современных квантовых устройствах.
«Наша цель состояла в том, чтобы выяснить, как организовать и настроить квантовые датчики так, чтобы они могли более надёжно обнаруживать тёмную материю», — сказал доктор Ле Бин Хо, ведущий автор исследования. «Сетевая структура играет ключевую роль в повышении чувствительности, и мы показали, что это можно сделать с помощью относительно простых схем».
Перспективы использования квантовых сетей
Помимо тёмной материи, эти квантовые сенсорные сети могут продвинуть такие технологии, как квантовый радар, обнаружение гравитационных волн и сверхточное хронометрирование. В дальнейшем они могут улучшить точность GPS, усовершенствовать визуализацию мозга с помощью МРТ или помочь обнаружить скрытые подземные структуры.
«Это исследование показывает, что тщательно разработанные квантовые сети могут расширить границы возможного в точных измерениях», — добавил доктор Хо. «Оно открывает двери для использования квантовых датчиков не только в лабораториях, но и в реальных инструментах, требующих экстремальной чувствительности».
В будущем команда планирует распространить этот подход на более крупные сети и изучить способы повышения устойчивости датчиков к шуму.
Предоставлено Университетом Тохоку.