Quantumsensoren kunnen extreem kleine veranderingen in een omgeving meten door gebruik te maken van kwantumfenomenen zoals verstrengeling, waar verstrengelde deeltjes elkaar kunnen beïnvloeden, zelfs als ze door grote afstanden van elkaar gescheiden zijn.

Onderzoekers hopen uiteindelijk deze sensoren te maken en te gebruiken om ziekten te detecteren en te diagnosticeren, vulkaanuitbarstingen en aardbevingen voorspellen, of ondergronds verkennen zonder te graven.

Bij het nastreven van dat doel, theoretische onderzoekers van de Pritzker School of Molecular Engineering (PME) aan de Universiteit van Chicago hebben een manier gevonden om kwantumsensoren exponentieel gevoeliger te maken.

Door gebruik te maken van een uniek natuurkundig fenomeen, de onderzoekers hebben een manier berekend om een ​​sensor te ontwikkelen met een gevoeligheid die exponentieel toeneemt naarmate hij groeit, zonder meer energie te verbruiken. De resultaten zijn op 23 oktober gepubliceerd in Natuurcommunicatie .

"Dit zou zelfs kunnen helpen bij het verbeteren van klassieke sensoren, " zei Prof. Aashish Clerk, co-auteur van het artikel. "Het is een manier om efficiënter te bouwen, krachtige sensoren voor allerlei toepassingen."

Fysische verschijnselen benutten

Quantumsensoren gebruiken atomen en fotonen als meetsondes door hun kwantumtoestand te manipuleren. Het verhogen van de gevoeligheid van deze sensoren - en traditionele sensoren - betekent vaak dat een grotere sensor moet worden ontwikkeld of dat meer sensordeeltjes moeten worden gebruikt. Toch, dergelijke bewegingen verhogen de gevoeligheid van kwantumsensoren alleen maar gelijk aan het aantal deeltjes dat wordt toegevoegd.

Maar de onderzoekers, onder leiding van afgestudeerde student Alexander McDonald, vroeg zich af of er een manier was om de gevoeligheid nog meer te verhogen. Ze stelden zich voor een reeks fotonische holtes te creëren, waar fotonen naar aangrenzende holtes kunnen worden getransporteerd. Zo'n string zou kunnen worden gebruikt als een kwantumsensor, maar de onderzoekers wilden weten:als ze een steeds langere keten van holtes zouden maken, zou de gevoeligheid van de sensor groter zijn?

In systemen als deze, fotonen zouden kunnen verdwijnen - uit de holtes lekken en verdwijnen. Maar door gebruik te maken van een natuurkundig fenomeen genaamd niet-Hermitiaanse dynamiek, waar dissipatie tot interessante gevolgen leidt, de onderzoekers konden berekenen dat een reeks van deze holtes de gevoeligheid van de sensor veel meer zou verhogen dan het aantal toegevoegde holtes. In feite, het zou de gevoeligheid exponentieel in systeemgrootte verhogen.

Niet alleen dat, het zou dit doen zonder extra energie te gebruiken en zonder de onvermijdelijke ruis van kwantumfluctuaties te vergroten. Dat zou een enorme overwinning zijn voor kwantumsensoren, zei de griffier.

"Dit is het eerste voorbeeld van een schema als dit - dat door deze holtes op de juiste manier aan elkaar te rijgen, we kunnen een enorme gevoeligheid krijgen, ' zei Klerk.

Verbetering van alle soorten kwantumsensoren

Om de theorie te bewijzen, Clerk werkt samen met een groep onderzoekers die een netwerk van supergeleidende circuits bouwen. Deze circuits kunnen fotonen tussen holtes verplaatsen op dezelfde manier die Clerk in het onderzoekspaper beschreef. Dat zou een sensor kunnen creëren die kan verbeteren hoe kwantuminformatie wordt uitgelezen uit kwantumbits, of qubits.

Clerk hoopt ook te onderzoeken hoe analoge kwantumdetectieplatforms kunnen worden gebouwd door spins te koppelen in plaats van fotonische holtes, met mogelijke implementaties op basis van arrays van kwantumbits.

"We willen weten of we deze fysica kunnen gebruiken om allerlei kwantumsensoren te verbeteren, ' zei Klerk.