Terwijl kwantumtechnologie tot zijn recht blijft komen, investeringen gebeuren op wereldschaal. Spoedig, we konden verbeteringen zien in modellen voor machine learning, financiële risicobeoordeling, efficiëntie van chemische katalysatoren en de ontdekking van nieuwe medicijnen.

Zoals tal van wetenschappers, bedrijven en overheden haasten zich om te investeren in het nieuwe tijdperk van kwantumtechnologie, een cruciaal onderdeel van deze innovatiegolf is de kwantumsensor. Het verbeteren van deze apparaten zou kunnen leiden tot krachtigere computers, betere detectoren van ziekten en technologische vooruitgang kunnen wetenschappers nog niet eens voorspellen.

Een wetenschappelijke studie van het Institute for Molecular Engineering van de Universiteit van Chicago, gepubliceerd op 17 oktober in Natuurcommunicatie zou opwindende implicaties kunnen hebben voor de zich ontwikkelende wereld van kwantumdetectie - en kwantumtechnologie als geheel.

"We namen een recent voorgesteld idee om betere optische klassieke sensoren te maken en vroegen of hetzelfde idee zou werken in een kwantumomgeving, " zei Aashish Clerk, een van de auteurs van de studie en een professor aan het Institute for Molecular Engineering. "We ontdekten dat dit idee niet echt werkt in kwantumomgevingen, maar dat een andere, enigszins verwante aanpak je een enorm voordeel zou kunnen opleveren."

In een kwantumomgeving, optische sensoren zijn meestal beperkt omdat licht bestaat uit deeltjes, en deze discretie leidt tot onvermijdelijke ruis. Maar deze studie bracht een onverwachte methode aan het licht om die beperking te bestrijden.

"We denken dat we een nieuwe strategie hebben ontdekt voor het bouwen van extreem krachtige kwantumsensoren, ’ vervolgde Clerk.

De weg naar het richtingsprincipe

Clerk en co-auteur Hoi-Kwan Lau, een postdoctoraal onderzoeker aan UChicago, werden geïnspireerd door recente spraakmakende onderzoeken die aantoonden hoe een algemene optische detectietechniek drastisch kan worden verbeterd. De "truc" omvat het afstemmen van systemen op een uitzonderlijk punt, of een punt waarop twee of meer lichtmodi samenkomen op één specifieke frequentie.

Lau en Clerk wilden zien of deze methode zou kunnen slagen in omgevingen waar kwantumeffecten belangrijk waren. Het doel was om rekening te houden met onvermijdelijke "kwantum"-ruis - schommelingen die verband houden met het feit dat licht zowel een golfachtig als een deeltjesachtig karakter heeft, Griffier uitgelegd.

Uit de studie bleek dat de uitzonderlijke punttechniek nutteloos was in een kwantumomgeving, maar het onderzoek leidde nog steeds tot veelbelovende resultaten.

"Het goede nieuws is dat we een andere manier hebben gevonden om een ​​krachtig nieuw type sensor te bouwen die zelfs in kwantumregimes voordelen heeft. Clerk zei. "Het idee is om een ​​systeem te construeren dat 'directioneel, ' wat betekent dat fotonen maar in één richting kunnen bewegen."

Dit richtingsprincipe - gebaseerd op het feit dat fotonen maar in één richting kunnen bewegen - is een gloednieuwe ontwikkeling in kwantumdetectie.

Nieuwe ontwikkelingen in kwantumdetectie

Wat betreft toepassingen in de echte wereld, zeer effectieve kwantumsensoren kunnen het spel veranderen. Quantumsystemen zijn gevoelig voor de kleinste veranderingen in de omgeving, dus deze detectoren hebben het potentieel om ongelooflijk krachtig te zijn.

In aanvulling, enkele van de vreemdere aspecten van kwantumgedrag, zoals kwantumverstrengeling, zou ze nog sterker kunnen maken. Quantum verstrengeling, een raadselachtig fenomeen, zelfs voor wetenschappers, beschrijft hoe twee deeltjes over een grote afstand van elkaar kunnen worden gescheiden, maar acties die op het ene deeltje worden uitgevoerd, hebben onmiddellijk invloed op het andere. Deze verstrengeling kan worden aangewend om kwantumsensoren verrassend veerkrachtig te maken tegen bepaalde soorten ruis.

In de toekomst, nieuwe ontwikkelingen in kwantumdetectie kunnen zich vertalen in aanzienlijke vooruitgang op verschillende gebieden. De klasse van optische sensoren die in het onderzoek wordt beschreven, kan worden gebruikt om virussen in vloeistoffen, bijvoorbeeld. Ze kunnen ook fungeren als uitleesapparaten voor kwantumbits in een supergeleidende kwantumcomputer.

"We denken dat ons idee het potentieel heeft om grote verbeteringen te genereren in veel van deze toepassingen, ' legde de klerk uit.

De implicaties van de studie voor quantum computing zijn bijzonder opwindend. Niet alleen hebben kwantumcomputers het potentieel om de rekensnelheid drastisch te verhogen, maar ze kunnen ook problemen aanpakken die volledig onhaalbaar zijn met traditionele computers.

Lau en Clerk zijn van plan om verder onderzoek te doen naar hun verbeterde detectietechniek. Clerk heeft nog steeds veel vragen:"Wat bepaalt hoe snel onze sensor is? Zijn er fundamentele limieten aan zijn snelheid? Kan hij worden gebruikt om signalen te detecteren die niet per se klein zijn?"

Hun grootste hoop, klerk uitgelegd, is om andere onderzoekers te inspireren om verbeterde kwantumsensoren te bouwen die gebruikmaken van dit nieuw ontdekte principe.