Ученые представили инновационный метод для поиска темной материи. Вместо применения отдельных детекторов они предлагают использовать целые сети квантовых сенсоров, соединенных в специальные конфигурации, что может значительно увеличить вероятность нахождения неуловимых следов этого загадочного вещества.
Темная материя — это таинственная невидимая субстанция, которая, как полагают, удерживает галактики от разрушения. Она составляет примерно 85% всей материи во Вселенной, но ее невозможно увидеть или ощутить — она не излучает свет и почти не взаимодействует с обычным веществом. Тем не менее, физики предполагают, что она оставляет едва заметные следы в виде крошечных возмущений, которые могут уловить только самые чувствительные устройства.
В основе нового подхода, предложенного учеными Университета Тохоку, лежат сверхпроводящие кубиты — микроскопические электронные схемы, охлажденные почти до абсолютного нуля. Обычно их применяют в квантовых компьютерах, но японские исследователи адаптировали их в сверхчувствительные детекторы. Принцип прост: если один сенсор может уловить слабый сигнал, то скоординированная сеть из нескольких кубитов способна его усилить и точно идентифицировать.
Специалисты протестировали различные варианты соединения сенсоров: в форме кольца, линии, звезды и полностью связанной сети. Они создали системы из четырех и девяти кубитов, а затем применили метод вариационной квантовой метрологии — своего рода обучение системы, похожее на тренировку искусственного интеллекта. Для повышения точности использовалась байесовская оценка, которая убирает шумы, подобно тому, как компьютерные программы улучшают размытые фотографии.
«Наша цель заключалась в том, чтобы выяснить, как организовать и настроить квантовые сенсоры для более надежного обнаружения темной материи. Структура сети играет ключевую роль в повышении чувствительности, и мы показали, что это можно сделать с помощью относительно простых конфигураций», — объяснил доктор Ле Бин Хо, ведущий автор исследования.
Результаты превзошли ожидания: оптимизированные сети стабильно демонстрировали лучшие результаты по сравнению с традиционными методами даже в условиях реальных помех. Это означает, что данный подход уже можно использовать на существующих квантовых устройствах.
Кроме поиска темной материи, технология открывает новые горизонты в других областях. Квантовые сенсорные сети могут быть применены в квантовых радарах, детекторах гравитационных волн, сверхточных часах, улучшении GPS-навигации, повышении качества МРТ-сканирования мозга и даже для обнаружения скрытых подземных структур.
«Наша работа наглядно демонстрирует, что тщательно спроектированные квантовые сети могут расширить границы возможного в точных измерениях. Она открывает возможности для использования квантовых сенсоров не только в лабораториях, но и в реальных инструментах, требующих высокой чувствительности», — добавил доктор Хо.
Фото: hi-tech.mail.ru