Les capteurs quantiques peuvent mesurer des changements extrêmement faibles dans un environnement en tirant parti de phénomènes quantiques tels que l'intrication, où les particules enchevêtrées peuvent s'affecter, même séparés par de grandes distances.

Les chercheurs espèrent à terme créer et utiliser ces capteurs pour détecter et diagnostiquer des maladies, prévoir les éruptions volcaniques et les tremblements de terre, ou explorez le sous-sol sans creuser.

Dans la poursuite de cet objectif, des chercheurs théoriques de la Pritzker School of Molecular Engineering (PME) de l'Université de Chicago ont trouvé un moyen de rendre les capteurs quantiques exponentiellement plus sensibles.

En exploitant un phénomène physique unique, les chercheurs ont calculé un moyen de développer un capteur qui a une sensibilité qui augmente de façon exponentielle à mesure qu'il grandit, sans consommer plus d'énergie. Les résultats ont été publiés le 23 octobre dans Communication Nature .

"Cela pourrait même aider à améliorer les capteurs classiques, " a déclaré le professeur Aashish Clerk, co-auteur de l'article. "C'est un moyen de construire plus efficacement, capteurs puissants pour toutes sortes d'applications."

Exploiter les phénomènes physiques

Les capteurs quantiques utilisent des atomes et des photons comme sondes de mesure en manipulant leur état quantique. Augmenter la sensibilité de ces capteurs - et des capteurs traditionnels - signifie souvent développer un capteur plus grand ou utiliser plus de particules de détection. Toutefois, de tels mouvements ne font qu'augmenter la sensibilité des capteurs quantiques égale au nombre de particules qui sont ajoutées.

Mais les chercheurs, dirigé par l'étudiant diplômé Alexander McDonald, s'est demandé s'il y avait un moyen d'augmenter encore plus la sensibilité. Ils ont imaginé créer un chapelet de cavités photoniques, où les photons peuvent être transportés vers des cavités adjacentes. Une telle chaîne pourrait être utilisée comme capteur quantique, mais les chercheurs voulaient savoir :s'ils créaient une chaîne de cavités de plus en plus longue, la sensibilité du capteur serait-elle plus grande ?

Dans des systèmes comme celui-ci, les photons pourraient se dissiper, s'échapper des cavités et disparaître. Mais en exploitant un phénomène physique appelé dynamique non hermitienne, où la dissipation conduit à des conséquences intéressantes, les chercheurs ont pu calculer qu'un chapelet de ces cavités augmenterait la sensibilité du capteur bien plus que le nombre de cavités ajoutées. En réalité, cela augmenterait la sensibilité de façon exponentielle dans la taille du système.

Non seulement que, il le ferait sans utiliser d'énergie supplémentaire et sans augmenter le bruit inévitable des fluctuations quantiques. Ce serait une énorme victoire pour les capteurs quantiques, dit le greffier.

"C'est le premier exemple d'un schéma comme celui-ci - qu'en enchaînant ces cavités de la bonne manière, nous pouvons gagner énormément de sensibilité, " dit le greffier.

Améliorer toutes sortes de capteurs quantiques

Pour prouver la théorie, Clerk travaille avec un groupe de chercheurs qui construisent un réseau de circuits supraconducteurs. Ces circuits pourraient déplacer des photons entre les cavités de la même manière que celle décrite par Clerk dans le document de recherche. Cela pourrait créer un capteur qui pourrait améliorer la façon dont les informations quantiques sont lues à partir des bits quantiques, ou qubits.

Clerk espère également examiner comment construire des plates-formes de détection quantique analogues en couplant des spins au lieu de cavités photoniques, avec des implémentations possibles basées sur des tableaux de bits quantiques.

"Nous voulons savoir si nous pouvons utiliser cette physique pour améliorer toutes sortes de capteurs quantiques, " dit le greffier.