Новая квантовая сеть сможет наконец-то обнаружить темную материю
Темная материя — это загадочная невидимая субстанция, которая, как считается, удерживает галактики от распада. Она составляет около 85% всей материи во Вселенной, но ее невозможно увидеть или потрогать — она не излучает свет и почти не взаимодействует с обычным веществом. Однако физики подозревают, что она оставляет едва заметные следы в виде крошечных возмущений, которые могут уловить только самые чувствительные приборы.
В основе нового метода, предложенного специалистами Университета Тохоку лежат сверхпроводящие кубиты — микроскопические электронные схемы, охлажденные почти до абсолютного нуля. Обычно их используют в квантовых компьютерах, но японские ученые превратили их в сверхчувствительные детекторы. Принцип простой: если один сенсор может пропустить 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 состояла 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 схем», — объяснил доктор Ле Бин Хо, ведущий автор исследования.
Результаты превзошли ожидания: оптимизированные сети стабильно превосходили традиционные подходы даже в условиях реалистичных помех. Это означает, что метод уже можно применять на существующих квантовых устройствах.
Помимо охоты на темную материю, технология открывает широкие перспективы в других областях. Квантовые сенсорные сети могут найти применение в квантовых радарах, детекторах гравитационных волн, сверхточных часах, улучшении GPS-навигации, повышении качества МРТ-сканирования мозга и даже обнаружении скрытых подземных структур.
«Наша работа наглядно показывает, что тщательно спроектированные квантовые сети могут расширить границы возможного в точных измерениях. Она открывает дверь к использованию квантовых сенсоров не только в лабораториях, но и в реальных инструментах, требующих экстремальной чувствительности», — добавил доктор Хо.
Ранее ученые выяснили, что темную материю можно обнаружить по ее «цветовой подписи».
