חוקרים ביפן הראו שקישור קיוביטים מוליכי־על במבני רשת אופטימליים משפר משמעותית את רגישות הגילוי — גם בנוכחות רעש — ופותח יישומים ממכ״ם קוונטי ועד GPS
זיהוי חומר אפל — החומר המסתורי שמחזיק גלקסיות מאוגדות — הוא אחד האתגרים הבלתי־פתורים הגדולים בפיזיקה. אף שאי־אפשר לראותו או לגעת בו ישירות, מדענים סבורים שחומר אפל מותיר אותות חלשים שניתן ללכוד באמצעות התקנים קוונטיים רגישים במיוחד.
במחקר חדש מציעים חוקרים מאוניברסיטת טוהוקו דרך להעצים את הרגישות של חיישנים קוונטיים באמצעות חיבורם במבני רשת מתוכננים בקפידה. חיישנים קוונטיים כאלה משתמשים בחוקי הפיזיקה הקוונטית כדי לזהות אותות זעירים במיוחד, והם רגישים הרבה יותר מחיישנים רגילים. באמצעותם, ייתכן שסוף־סוף ניתן יהיה למדוד במדויק את הרמזים החלשים שמשאיר אחריו החומר האפל.
המחקר מתמקד בקיוביטים מוליכי־על — מעגלים חשמליים זעירים שמקוררים לטמפרטורות נמוכות מאוד. קיוביטים משמשים בדרך כלל אבני־בניין של מחשבים קוונטיים, אך כאן הם פועלים כחיישנים קוונטיים רבי־עוצמה. כפי שקבוצה מתואמת יכולה להשיג יותר מאדם יחיד, כך קישור של קיוביטים מוליכי־על רבים ברשת אופטימלית מאפשר להם לזהות אותות חלשים של חומר אפל ביעילות גבוהה בהרבה מחיישן בודד.
הצוות בחן תבניות רשת שונות — טבעת, קו, “כוכב” וחיבור מלא — במערכות של ארבעה ותשעה קיוביטים. לאחר מכן יושמה מטרולוגיה קוונטית וריאציונית (שיטה הדומה לאימון מודל למידת מכונה) כדי לאופטם את אופן הכנת המצבים הקוונטיים ומדידתם. לשם חידוד התוצאות נעשה שימוש באמידה בייסיאנית לסינון רעש — בדומה לחידוד תמונה מטושטשת.
הממצאים היו בולטים: רשתות מאופטמות עקפו בעקביות שיטות מסורתיות, אפילו כאשר הוזן רעש ריאלי. הדבר מראה שהגישה ישימה במכשירים הקוונטיים של היום.
“המטרה שלנו הייתה להבין כיצד לארגן ולכוונן חיישנים קוונטיים כך שיוכלו לזהות חומר אפל בצורה אמינה יותר,” אמר ד״ר לה בין הו (Le Bin Ho), המחבר הראשי של המחקר. “למבנה הרשת יש תפקיד מרכזי בהגברת הרגישות, והראינו שאפשר לעשות זאת באמצעות מעגלים פשוטים יחסית.”
מעבר לחומר אפל, רשתות חיישנים קוונטיות כאלה עשויות לקדם טכנולוגיות כמו מכ״ם קוונטי, גילוי גלי כבידה ותזמון מדויק במיוחד. נוסף על כך, ייתכן שבעתיד הן ישפרו את דיוק ה־GPS, יגביהו את איכות הדמיית המוח ב־MRI, או יסייעו לגילוי מבנים תת־קרקעיים נסתרים.
“המחקר הזה מראה שעיצוב מוקפד של רשתות קוונטיות יכול לדחוף את גבולות האפשרי במדידות בדיוק גבוה,” הוסיף ד״ר הו. “הוא פותח פתח לשימוש בחיישנים קוונטיים לא רק במעבדה, אלא גם בכלים יישומיים הדורשים רגישות קיצונית.”
מבט קדימה: הצוות מתכנן להרחיב את הגישה לרשתות גדולות יותר ולבחון דרכים להגדלת העמידות לרעש.
https://journals.aps.org/prd/abstract/10.1103/rv43-54zqלמאמר המדעי
אמפמ
עוד בנושא באתר הידען:
