Analyse baner vej for mere følsomme kvantesensorer

Kvantesensorer kan måle ekstremt små ændringer i et miljø ved at drage fordel af kvantefænomener som sammenfiltring, hvor sammenfiltrede partikler kan påvirke hinanden, selv når adskilt af store afstande.

Forskere håber i sidste ende at skabe og bruge disse sensorer til at opdage og diagnosticere sygdom, forudsige vulkanudbrud og jordskælv, eller udforske under jorden uden at grave.

I jagten på det mål, teoretiske forskere ved Pritzker School of Molecular Engineering (PME) ved University of Chicago har fundet en måde at gøre kvantesensorer eksponentielt mere følsomme.

Ved at udnytte et unikt fysikfænomen, forskerne har beregnet en måde at udvikle en sensor på, der har en følsomhed, der øges eksponentielt, efterhånden som den vokser, uden at bruge mere energi. Resultaterne blev offentliggjort den 23. oktober i Naturkommunikation .

"Dette kunne endda hjælpe med at forbedre klassiske sensorer, " sagde Prof. Aashish Clerk, medforfatter til avisen. "Det er en måde at bygge mere effektivt på, kraftfulde sensorer til alle slags applikationer."

Udnyttelse af fysikfænomener

Kvantesensorer bruger atomer og fotoner som målesonder ved at manipulere deres kvantetilstand. At øge følsomheden af ​​disse sensorer – og traditionelle sensorer – betyder ofte, at man udvikler en større sensor eller bruger flere sensorpartikler. Ikke desto mindre, sådanne bevægelser øger kun følsomheden af ​​kvantesensorer svarende til antallet af partikler, der tilføjes.

Men forskerne, ledet af kandidatstuderende Alexander McDonald, spekulerede på, om der var en måde at øge følsomheden endnu mere. De forestillede sig at skabe en række fotoniske hulrum, hvor fotoner kan transporteres til tilstødende hulrum. En sådan streng kunne bruges som en kvantesensor, men forskerne ville vide:Hvis de skabte en længere og længere kæde af hulrum, ville sensorens følsomhed være større?

I systemer som dette, fotoner kunne spredes - lække ud af hulrummene og forsvinde. Men ved at udnytte et fysikfænomen kaldet ikke-ermitisk dynamik, hvor dissipation fører til interessante konsekvenser, forskerne var i stand til at beregne, at en række af disse hulrum ville øge sensorens følsomhed meget mere end antallet af tilføjede hulrum. Faktisk, det ville øge følsomheden eksponentielt i systemstørrelse.

Ikke kun det, det ville gøre det uden at bruge ekstra energi og uden at øge den uundgåelige støj fra kvanteudsving. Det ville være en kæmpe gevinst for kvantesensorer, Sagde ekspedient.

"Dette er det første eksempel på et skema som dette - at ved at strenge disse hulrum sammen på den rigtige måde, vi kan få en enorm mængde følsomhed, " sagde ekspedienten.

Forbedring af alle slags kvantesensorer

For at bevise teorien, Clerk arbejder sammen med en gruppe forskere, der bygger et netværk af superledende kredsløb. Disse kredsløb kunne flytte fotoner mellem hulrum på samme måde som Clerk beskrevet i forskningspapiret. Det kunne skabe en sensor, der kunne forbedre, hvordan kvanteinformation udlæses fra kvantebit, eller qubits.

Clerk håber også at undersøge, hvordan man konstruerer analoge kvanteregistreringsplatforme ved at koble spins i stedet for fotoniske hulrum, med mulige implementeringer baseret på arrays af kvantebits.

"Vi vil gerne vide, om vi kan bruge denne fysik til at forbedre alle slags kvantesensorer, " sagde ekspedienten.