Los sensores cuánticos pueden medir cambios extremadamente pequeños en un entorno aprovechando fenómenos cuánticos como el entrelazamiento, donde las partículas enredadas pueden afectarse entre sí, incluso cuando están separados por grandes distancias.

En última instancia, los investigadores esperan crear y utilizar estos sensores para detectar y diagnosticar enfermedades, predecir erupciones volcánicas y terremotos, o explorar bajo tierra sin excavar.

En pos de ese objetivo, Investigadores teóricos de la Escuela Pritzker de Ingeniería Molecular (PME) de la Universidad de Chicago han encontrado una manera de hacer que los sensores cuánticos sean exponencialmente más sensibles.

Aprovechando un fenómeno físico único, los investigadores han calculado una forma de desarrollar un sensor que tiene una sensibilidad que aumenta exponencialmente a medida que crece, sin gastar más energía. Los resultados fueron publicados el 23 de octubre en Comunicaciones de la naturaleza .

"Esto incluso podría ayudar a mejorar los sensores clásicos, "dijo el profesor Aashish Clerk, coautor del artículo. "Es una forma de construir de manera más eficiente, potentes sensores para todo tipo de aplicaciones ".

Aprovechando los fenómenos de la física

Los sensores cuánticos utilizan átomos y fotones como sondas de medición manipulando su estado cuántico. Aumentar la sensibilidad de estos sensores, y de los sensores tradicionales, a menudo significa desarrollar un sensor más grande o usar más partículas sensibles. Aún así, tales movimientos solo aumentan la sensibilidad de los sensores cuánticos igual al número de partículas que se agregan.

Pero los investigadores, dirigido por el estudiante graduado Alexander McDonald, Me preguntaba si había alguna forma de aumentar aún más la sensibilidad. Se imaginaron creando una cadena de cavidades fotónicas, donde los fotones pueden ser transportados a cavidades adyacentes. Tal cuerda podría usarse como sensor cuántico, pero los investigadores querían saber:si creaban una cadena de caries cada vez más larga, ¿sería mayor la sensibilidad del sensor?

En sistemas como este, los fotones podrían disiparse, escaparse de las cavidades y desaparecer. Pero al aprovechar un fenómeno de la física llamado dinámica no hermitiana, donde la disipación conduce a consecuencias interesantes, los investigadores pudieron calcular que una serie de estas cavidades aumentaría la sensibilidad del sensor mucho más que la cantidad de cavidades agregadas. De hecho, aumentaría exponencialmente la sensibilidad en el tamaño del sistema.

No solo eso, lo haría sin utilizar ninguna energía adicional y sin aumentar el ruido inevitable de las fluctuaciones cuánticas. Eso sería una gran victoria para los sensores cuánticos, Dijo Clerk.

"Este es el primer ejemplo de un esquema como este, que al unir estas cavidades de la manera correcta, podemos ganar una enorme cantidad de sensibilidad, "Dijo Clerk.

Mejorando todo tipo de sensores cuánticos

Para probar la teoría, Clerk está trabajando con un grupo de investigadores que están construyendo una red de circuitos superconductores. Estos circuitos podrían mover fotones entre cavidades de la misma manera que Clerk describió en el artículo de investigación. Eso podría crear un sensor que podría mejorar la forma en que se lee la información cuántica de los bits cuánticos, o qubits.

Clerk también espera examinar cómo construir plataformas de detección cuántica análogas acoplando espines en lugar de cavidades fotónicas. con posibles implementaciones basadas en matrices de bits cuánticos.

"Queremos saber si podemos utilizar esta física para mejorar todo tipo de sensores cuánticos, "Dijo Clerk.