Η ανίχνευση της σκοτεινής ύλης – της μυστηριώδους ουσίας που συγκρατεί τους γαλαξίες – παραμένει ένα από τα μεγαλύτερα άλυτα προβλήματα της φυσικής. Αν και δεν μπορεί να παρατηρηθεί ή να προσεγγιστεί άμεσα, οι επιστήμονες πιστεύουν ότι η σκοτεινή ύλη αφήνει αμυδρά σήματα που θα μπορούσαν να εντοπιστούν μέσω υπερευαίσθητων κβαντικών συσκευών.
Κβαντικά δίκτυα για ενίσχυση της ευαισθησίας
Σε νέα μελέτη που δημοσιεύθηκε στο Physical Review D, ερευνητές του Tohoku University προτείνουν έναν τρόπο να αυξηθεί η ευαισθησία των κβαντικών αισθητήρων συνδέοντάς τους σε προσεκτικά σχεδιασμένες δικτυακές δομές. Οι αισθητήρες αυτοί εκμεταλλεύονται τους κανόνες της κβαντικής φυσικής για να ανιχνεύουν εξαιρετικά μικρά σήματα, πολύ πιο αδύναμα από αυτά που μπορούν να εντοπίσουν οι συμβατικοί αισθητήρες. Χρησιμοποιώντας τέτοια δίκτυα, η ανίχνευση των αμυδρών ιχνών της σκοτεινής ύλης θα μπορούσε επιτέλους να καταστεί εφικτή.
Υπεραγώγιμα qubits ως κβαντικοί αισθητήρες
Η μελέτη επικεντρώνεται στα υπεραγώγιμα qubits, μικροσκοπικά ηλεκτρικά κυκλώματα που λειτουργούν σε πολύ χαμηλές θερμοκρασίες. Αν και συνήθως χρησιμοποιούνται ως δομικά στοιχεία για κβαντικούς υπολογιστές, εδώ λειτουργούν ως ισχυροί κβαντικοί αισθητήρες. Όπως μια ομάδα ανθρώπων που συνεργάζεται μπορεί να επιτύχει περισσότερα απ’ ό,τι ένας μόνος, έτσι και η σύνδεση πολλών qubits σε ένα βελτιστοποιημένο δίκτυο επιτρέπει την ανίχνευση πολύ πιο αδύναμων σημάτων σκοτεινής ύλης σε σχέση με έναν μεμονωμένο αισθητήρα.
Διαφορετικές τοπολογίες και βελτιστοποίηση
Η ομάδα δοκίμασε διάφορα πρότυπα δικτύων, όπως δακτύλιο, γραμμή, αστέρα και πλήρως συνδεδεμένα γραφήματα, χρησιμοποιώντας συστήματα τεσσάρων και εννέα qubits. Εφάρμοσαν την τεχνική variational quantum metrology – μια μέθοδο παρόμοια με την εκπαίδευση μοντέλων μηχανικής μάθησης – για να βελτιστοποιήσουν τον τρόπο προετοιμασίας και μέτρησης των κβαντικών καταστάσεων.
Για περαιτέρω βελτίωση των αποτελεσμάτων, χρησιμοποιήθηκε Bayesian εκτίμηση ώστε να φιλτραριστεί ο θόρυβος, όπως ακριβώς όταν οξύνεται μια θολή εικόνα.
Αποτελέσματα και πρακτική εφαρμογή
Τα αποτελέσματα ήταν εντυπωσιακά: τα βελτιστοποιημένα δίκτυα υπεραπέδωσαν σε σχέση με τις παραδοσιακές μεθόδους, ακόμη και όταν προστέθηκε ρεαλιστικός θόρυβος. Αυτό δείχνει ότι η προσέγγιση μπορεί να λειτουργήσει στα σημερινά κβαντικά συστήματα.
«Στόχος μας ήταν να ανακαλύψουμε πώς μπορούμε να οργανώσουμε και να ρυθμίσουμε τους κβαντικούς αισθητήρες έτσι ώστε να ανιχνεύουν τη σκοτεινή ύλη με μεγαλύτερη αξιοπιστία», δήλωσε ο Δρ. Le Bin Ho, επικεφαλής της μελέτης.
«Η δομή του δικτύου παίζει καθοριστικό ρόλο στην ενίσχυση της ευαισθησίας και δείξαμε ότι αυτό μπορεί να επιτευχθεί με σχετικά απλά κυκλώματα».
Εφαρμογές πέρα από τη σκοτεινή ύλη
Πέρα από την έρευνα για τη σκοτεινή ύλη, τα κβαντικά δίκτυα αισθητήρων μπορούν να προωθήσουν τεχνολογίες όπως κβαντικό ραντάρ, ανίχνευση βαρυτικών κυμάτων και υπερακριβή χρονομέτρηση. Επιπλέον, στο μέλλον θα μπορούσαν να βελτιώσουν την ακρίβεια GPS, την απεικόνιση εγκεφάλου με MRI ή ακόμη και να βοηθήσουν στον εντοπισμό υπόγειων δομών.
«Η έρευνά μας δείχνει ότι τα προσεκτικά σχεδιασμένα κβαντικά δίκτυα μπορούν να επεκτείνουν τα όρια της ακρίβειας στη μέτρηση», πρόσθεσε ο Δρ. Ho. «Ανοίγουν τον δρόμο για τη χρήση των κβαντικών αισθητήρων όχι μόνο στα εργαστήρια, αλλά και σε πραγματικά εργαλεία που απαιτούν ακραία ευαισθησία».
Η ομάδα σκοπεύει να επεκτείνει την προσέγγιση αυτή σε μεγαλύτερα δίκτυα και να διερευνήσει τρόπους ανθεκτικότητας στον θόρυβο, ώστε οι μετρήσεις να γίνουν ακόμη πιο αξιόπιστες.
More information: Adriel I. Santoso et al, Optimized quantum sensor networks for ultralight dark matter detection, Physical Review D (2025). DOI: 10.1103/rv43-54zq
Journal information: Physical Review D
Provided by Tohoku University
