|
Квантовые сети повышают точность поиска темной материи
|
|
|
|
Обнаружение темной материи — таинственной субстанции, которая удерживает галактики вместе, — является одной из величайших нерешенных проблем в физике. Хотя ее нельзя увидеть или потрогать руками, ученые полагают, что темная материя оставляет слабые сигналы, которые могут быть уловлены высокочувствительными квантовыми устройствами.
|
|
|
|
В новом исследовании, опубликованном в Physical Review D, исследователи из Университета Тохоку предлагают способ повысить чувствительность квантовых датчиков, объединив их в тщательно разработанные сетевые структуры. Эти квантовые датчики используют правила квантовой физики для обнаружения чрезвычайно слабых сигналов, что делает их гораздо более чувствительными, чем обычные датчики. Используя их, можно было бы, наконец, точно обнаружить слабые следы, оставленные темной материей.
|
|
|
|
Исследование сосредоточено на сверхпроводящих кубитах, которые представляют собой крошечные электрические цепи, охлажденные до очень низких температур. Обычно эти кубиты используются в качестве строительных блоков квантовых компьютеров, но в данном случае они действуют как мощные квантовые датчики. Точно так же, как команда, работающая сообща, может добиться большего, чем один человек, объединение многих из этих сверхпроводящих кубитов в оптимизированную сеть позволяет им обнаруживать слабые сигналы темной материи гораздо эффективнее, чем это мог бы сделать любой отдельный датчик в одиночку.
|
|
|
|
|
|
|
Команда протестировала различные модели сетей, такие как кольцо, линия, звезда и полностью связанные графы, используя системы из четырех и девяти кубитов. Затем они применили вариационную квантовую метрологию (метод, аналогичный обучению модели машинного обучения), чтобы оптимизировать процесс подготовки и измерения квантовых состояний. Чтобы уточнить результаты, была использована байесовская оценка для фильтрации шума, во многом похожая на повышение резкости размытого изображения.
|
|
|
|
Результаты оказались поразительными: оптимизированные сети неизменно превосходили традиционные методы, даже при наличии реалистичного шума. Это показывает, что подход может работать на современных квантовых устройствах.
|
|
|
|
"Нашей целью было выяснить, как организовать и точно настроить квантовые датчики, чтобы они могли более надежно обнаруживать темную материю", - сказал доктор Ле Бин Хо, ведущий автор исследования. "Структура сети играет ключевую роль в повышении чувствительности, и мы показали, что это можно сделать с помощью относительно простых схем".
|
|
|
|
Помимо темной материи, эти квантовые сенсорные сети могут способствовать развитию таких технологий, как квантовый радар, обнаружение гравитационных волн и сверхточный хронометраж. Кроме того, в один прекрасный день они могут повысить точность GPS, улучшить визуализацию мозга с помощью МРТ или помочь обнаружить скрытые подземные сооружения.
|
|
|
|
"Это исследование показывает, что тщательно спроектированные квантовые сети могут расширить границы возможного в точных измерениях", - добавил доктор Хо. "Это открывает возможности для использования квантовых датчиков не только в лабораториях, но и в реальных инструментах, требующих исключительной чувствительности".
|
|
|
|
Заглядывая в будущее, команда планирует распространить этот подход на более крупные сети и изучить способы повышения устойчивости датчиков к помехам.
|
|
|
|
Источник
|
