I sensori quantistici possono misurare cambiamenti estremamente piccoli in un ambiente sfruttando fenomeni quantistici come l'entanglement, dove le particelle impigliate possono influenzarsi a vicenda, anche se separati da grandi distanze.

I ricercatori sperano in definitiva di creare e utilizzare questi sensori per rilevare e diagnosticare malattie, prevedere eruzioni vulcaniche e terremoti, o esplora il sottosuolo senza scavare.

Nel perseguimento di tale obiettivo, i ricercatori teorici della Pritzker School of Molecular Engineering (PME) dell'Università di Chicago hanno trovato un modo per rendere i sensori quantistici esponenzialmente più sensibili.

Sfruttando un fenomeno fisico unico, i ricercatori hanno calcolato un modo per sviluppare un sensore che abbia una sensibilità che aumenta esponenzialmente man mano che cresce, senza utilizzare più energia. I risultati sono stati pubblicati il ​​23 ottobre in Comunicazioni sulla natura .

"Questo potrebbe anche aiutare a migliorare i sensori classici, " ha detto il prof. Aashish Impiegato, coautore del paper. "È un modo per costruire in modo più efficiente, potenti sensori per tutti i tipi di applicazioni."

Sfruttare i fenomeni fisici

I sensori quantistici utilizzano atomi e fotoni come sonde di misurazione manipolando il loro stato quantistico. Aumentare la sensibilità di questi sensori, e dei sensori tradizionali, spesso significa sviluppare un sensore più grande o utilizzare più particelle di rilevamento. Comunque, tali mosse aumentano solo la sensibilità dei sensori quantistici pari al numero di particelle che vengono aggiunte.

Ma i ricercatori, guidato dallo studente laureato Alexander McDonald, mi chiedevo se ci fosse un modo per aumentare ancora di più la sensibilità. Hanno immaginato di creare una serie di cavità fotoniche, dove i fotoni possono essere trasportati in cavità adiacenti. Tale stringa potrebbe essere utilizzata come sensore quantistico, ma i ricercatori volevano sapere:se avessero creato una catena di cavità sempre più lunga, la sensibilità del sensore sarebbe maggiore?

In sistemi come questo, i fotoni potrebbero dissiparsi, fuoriuscire dalle cavità e scomparire. Ma sfruttando un fenomeno fisico chiamato dinamica non hermitiana, dove la dissipazione porta a interessanti conseguenze, i ricercatori sono stati in grado di calcolare che una stringa di queste cavità aumenterebbe la sensibilità del sensore molto più del numero di cavità aggiunte. Infatti, aumenterebbe la sensibilità in modo esponenziale nella dimensione del sistema.

Non solo quello, lo farebbe senza utilizzare alcuna energia extra e senza aumentare l'inevitabile rumore delle fluttuazioni quantistiche. Sarebbe una grande vittoria per i sensori quantistici, Ha detto l'impiegato.

"Questo è il primo esempio di uno schema come questo:mettendo insieme queste cavità nel modo giusto, possiamo acquisire un'enorme quantità di sensibilità, " ha detto l'impiegato.

Migliorare tutti i tipi di sensori quantistici

Per dimostrare la teoria, Clerk sta lavorando con un gruppo di ricercatori che stanno costruendo una rete di circuiti superconduttori. Questi circuiti potrebbero spostare i fotoni tra le cavità nello stesso modo descritto da Clerk nel documento di ricerca. Ciò potrebbe creare un sensore che potrebbe migliorare il modo in cui le informazioni quantistiche vengono lette dai bit quantistici, o qubit.

Clerk spera anche di esaminare come costruire piattaforme di rilevamento quantistico analoghe accoppiando spin invece di cavità fotoniche, con possibili implementazioni basate su array di bit quantistici.

"Vogliamo sapere se possiamo usare questa fisica per migliorare tutti i tipi di sensori quantistici, " ha detto l'impiegato.