Квантовые датчики могут измерять чрезвычайно малые изменения в окружающей среде, используя преимущества квантовых явлений, таких как запутанность, когда запутанные частицы могут влиять друг на друга, даже будучи разделенными на большие расстояния, — пишет eurekalert.org со ссылкой на Nature Communications.

Исследователи в конечном итоге надеются создать и использовать эти датчики для обнаружения и диагностики заболеваний, прогнозирования извержений вулканов и землетрясений или исследования под землей без раскапывания.

Преследуя эту цель, теоретические исследователи из Притцкеровской школы молекулярной инженерии (PME) при Чикагском университете нашли способ сделать квантовые датчики экспоненциально более чувствительными.

Используя уникальное физическое явление, исследователи рассчитали способ создания сенсора, чувствительность которого экспоненциально возрастает по мере роста, без использования дополнительных затрат энергии.

«Это могло бы даже помочь улучшить классические датчики, — сказал профессор Аашиш Клерк, соавтор статьи. — Это способ создавать более эффективные и мощные датчики для всех типов приложений».

Квантовые сенсоры используют атомы и фотоны в качестве измерительных зондов, манипулируя их квантовым состоянием. Повышение чувствительности этих датчиков — и традиционных датчиков — часто означает разработку датчика большего размера или использование большего количества чувствительных частиц. Даже в этом случае такие движения увеличивают чувствительность квантовых датчиков только на величину, равную количеству добавленных частиц.

Но исследователи во главе с аспирантом Александром Макдональдом задались вопросом, есть ли способ еще больше повысить чувствительность датчика. Они представили создание цепочки фотонных полостей, из которых фотоны могут переноситься в соседние полости. Такую струну можно использовать в качестве квантового датчика, но исследователи хотели знать: если бы они создали более длинную и длинную цепочку полостей, будет ли чувствительность датчика больше?

В подобных системах фотоны могут рассеиваться — выходить из полостей и исчезать. Но, используя физическое явление, называемое неэрмитовой динамикой, где диссипация приводит к интересным последствиям, исследователи смогли вычислить, что цепочка этих полостей увеличит чувствительность датчика намного больше, чем количество добавленных полостей. Фактически, это привело бы к экспоненциальному увеличению чувствительности системы.

Мало того, это будет сделано без использования дополнительной энергии и без увеличения неизбежного шума от квантовых флуктуаций. По словам Клерка, это будет огромная победа для квантовых датчиков.

«Это первый пример подобной схемы — правильно соединив эти полости вместе, мы можем получить огромную чувствительность», — сказал Клерк.

Чтобы доказать теорию, Клерк работает с группой исследователей, которые создают сеть из сверхпроводящих схем. Эти схемы могут перемещать фотоны между полостями таким же образом, как Клерк описал в исследовательской статье. Это может создать датчик, который может улучшить чтение квантовой информации из квантовых битов или кубитов.

Клерк также надеется изучить, как построить аналогичные платформы квантового зондирования путем связывания спинов вместо фотонных резонаторов, с возможными реализациями на основе массивов квантовых битов.

«Мы хотим знать, можем ли мы использовать эту физику для улучшения всех видов квантовых датчиков», — сказал Клерк.