Detectarea materiei întunecate, substanța invizibilă care se crede că menține galaxiile intacte, rămâne unul dintre cele mai persistente mistere din fizică. Deși nu poate fi observată sau atinsă direct, cercetătorii suspectează că materia întunecată lasă urme slabe. Aceste semnale subtile ar putea fi detectabile folosind tehnologii cuantice avansate care pot detecta perturbări extrem de mici.
O echipă de la Universitatea Tohoku a propus o nouă strategie pentru a face senzorii cuantici mai puternici, conectându-i în rețele proiectate cu atenție. Acești senzori se bazează pe principiile fizicii cuantice pentru a măsura fluctuații minuscule pe care instrumentele obișnuite le-ar rata. Prin conectarea lor în modele optimizate, cercetătorii cred că ar putea fi posibilă detectarea amprentelor eluzive ale materiei întunecate cu o precizie fără precedent.
Cercetarea se concentrează pe qubiți supraconductori, circuite electronice minuscule menținute la temperaturi extrem de scăzute. Acești qubiți sunt utilizați de obicei în computerele cuantice, dar în acest caz acționează ca detectoare ultrasensibile. Conceptul este similar cu munca în echipă - în timp ce un singur senzor ar putea avea dificultăți în a prelua un semnal slab, o rețea coordonată de qubiți îl poate amplifica și identifica mult mai eficient.
Pentru a testa acest concept, echipa a experimentat cu mai multe tipuri de structuri de rețea, inclusiv configurații de tip inel, linie, stea și complet conectate. Au construit sisteme folosind patru și nouă qubiți și apoi au aplicat metrologia cuantică variațională (o tehnică care funcționează asemănător cu antrenarea unui algoritm de învățare automată) pentru a regla fin modul în care au fost pregătite și măsurate stările cuantice. Pentru a îmbunătăți și mai mult acuratețea, au folosit estimarea bayesiană pentru a reduce zgomotul, similar cu ascuțirea unei fotografii încețoșate.
Rețelele optimizate au depășit în mod constant abordările convenționale, chiar și atunci când a fost adăugat zgomot realist. Acest rezultat sugerează că metoda ar putea fi deja implementată pe dispozitive cuantice existente. „Scopul nostru a fost să ne dăm seama cum să organizăm și să reglăm fin senzorii cuantici, astfel încât aceștia să poată detecta materia întunecată mai fiabil”, a explicat Dr. Le Bin Ho, autorul principal al studiului. „Structura rețelei joacă un rol cheie în îmbunătățirea sensibilității și am arătat că se poate face folosind circuite relativ simple.”
Dincolo de vânătoarea de materie întunecată, aceste rețele de senzori cuantici ar putea genera progrese majore în tehnologie. Aplicațiile potențiale includ radar cuantic, detectarea undelor gravitaționale și cronometrarea de înaltă precizie. În viitor, aceeași abordare ar putea ajuta la îmbunătățirea preciziei GPS, la îmbunătățirea scanărilor cerebrale RMN și chiar la dezvăluirea structurilor subterane ascunse.
„Această cercetare arată că rețelele cuantice proiectate cu atenție pot depăși limitele a ceea ce este posibil în măsurarea de precizie”, a adăugat Dr. Ho. „Deschide ușa utilizării senzorilor cuantici nu doar în laboratoare, ci și în instrumente din lumea reală care necesită o sensibilitate extremă.”
În viitor, echipa Universității Tohoku intenționează să extindă această metodă la rețele de senzori mai mari și să dezvolte tehnici pentru a le face mai rezistente la zgomot. Descoperirile lor au fost publicate în Physical Review D la 1 octombrie 2025.