Ερευνητές στη Φινλανδία έχουν κάνει μια σημαντική ανακάλυψη στην τεχνολογία υπερευαίσθητης μέτρησης ανιχνεύοντας μια ποσότητα ενέργειας μικρότερη από ένα zeptojoule, η οποία είναι μικρότερη από το ένα τρισεκατομμυριοστό του δισεκατομμυριοστού του Joule. Η ανακάλυψη θα μπορούσε να βελτιώσει την τεχνολογία των κβαντικών υπολογιστών, να υποστηρίξει την αναζήτηση για τη σκοτεινή ύλη και τελικά να καταστήσει δυνατή την μέτρηση μεμονωμένων φωτονίων.
Η κβαντομηχανική λειτουργεί σε απίστευτα μικρές κλίμακες και οι επιστήμονες αναπτύσσουν συνεχώς πιο ακριβή εργαλεία για τη μέτρηση και τον έλεγχο των σωματιδίων που μεταφέρουν το φως, όπως τα φωτόνια. Μεγαλύτερη ακρίβεια θα μπορούσε να ανοίξει την πόρτα σε πιο ισχυρές κβαντικές συσκευές και νέους τρόπους μελέτης μερικών από τα μεγαλύτερα μυστήρια του σύμπαντος.
Ένα zeptojoule είναι μια σχεδόν αφάνταστα μικρή ποσότητα ενέργειας. Αυτό είναι περίπου ίσο με την ποσότητα εργασίας που απαιτείται από τη βαρύτητα της Γης για να μετακινήσει ένα ερυθρό αιμοσφαίριο ένα νανόμετρο πάνω.
Επικεφαλής της ερευνητικής ομάδας ήταν ο καθηγητής Miko Motonen της Ακαδημίας του Πανεπιστημίου του Aalto σε συνεργασία με την εταιρεία κβαντικών υπολογιστών IQM και το Τεχνικό Ερευνητικό Κέντρο της Φινλανδίας (VTT). Τα ευρήματά τους δημοσιεύονται στο περιοδικό Nature Electronics.
Υπερευαίσθητος ανιχνευτής κβαντικής ενέργειας
Για να φτάσουν σε αυτό το επίπεδο ευαισθησίας, οι ερευνητές χρησιμοποίησαν ένα θερμιδόμετρο, μια συσκευή σχεδιασμένη να μετράει εξαιρετικά μικρές αλλαγές στη θερμική ενέργεια. Η μέτρηση αυτού του μικροσκοπικού σήματος είναι πολύ πιο δύσκολη από την αποστολή μιας δέσμης σε έναν ανιχνευτή και την ανάγνωση του αποτελέσματος.
Οι επιστήμονες κατεύθυναν έναν παλμό μικροκυμάτων σε έναν αισθητήρα κατασκευασμένο από δύο τύπους μετάλλων. Το ένα μέρος αποτελείται από υπεραγωγούς, υλικά που επιτρέπουν στον ηλεκτρισμό να ρέει ελεύθερα χωρίς αντίσταση. Άλλα μέρη χρησιμοποιούν κοινούς αγωγούς, οι οποίοι αντιστέκονται στο ηλεκτρικό ρεύμα.
“Αυτός ο συνδυασμός μετάλλων κάνει την υπεραγωγιμότητα ένα τόσο εύθραυστο φαινόμενο που η θερμοκρασία του υπερψυχρού αγωγού εξασθενεί αμέσως από μια ελαφρά αύξηση της θερμοκρασίας. Αυτό την καθιστά τόσο ευαίσθητη εγκατάσταση”, δήλωσε ο Motonen, ο οποίος είναι επίσης ιδρυτής του κβαντικού υπολογιστή unicorn IQM.
Μετά από προσεκτικό φιλτράρισμα του σήματος, οι ερευνητές επιβεβαίωσαν ότι ανίχνευσαν έναν ηλεκτρομαγνητικό παλμό που μετρά μόνο 0,83 zeptojoules. Σύμφωνα με την ομάδα, αυτή είναι η πρώτη φορά που μια θερμιδομετρική συσκευή μέτρησης έχει φτάσει σε τέτοια ευαισθησία.
Κβαντικός Υπολογισμός και Συνέπειες της Σκοτεινής Ύλης
Η πρόοδος θα μπορούσε τελικά να επιτρέψει στους επιστήμονες να μετρήσουν μεμονωμένα φωτόνια, έναν μακροχρόνιο στόχο στην κβαντική τεχνολογία και την αστροφυσική.
“Θέλουμε να ενεργοποιήσουμε αυτήν τη ρύθμιση για τη μέτρηση εισόδου που έχει αυθαίρετο χρόνο άφιξης, κάτι που είναι σημαντικό για πράγματα όπως η ανίχνευση του άξονα της σκοτεινής ύλης στο διάστημα, όταν δεν έχετε ιδέα πότε μπορεί να φτάσει στο σύστημά σας.”
Οι ερευνητές πιστεύουν επίσης ότι η τεχνολογία θα μπορούσε να γίνει χρήσιμη σε κβαντικούς υπολογιστές επειδή το θερμιδόμετρο λειτουργεί στις ίδιες εξαιρετικά χαμηλές θερμοκρασίες millikelvin που απαιτούνται από το θεμελιώδες μεμονωμένο qubit της κβαντικής πληροφορίας.
“Ένα θερμιδόμετρο λειτουργεί στην ίδια θερμοκρασία millikelvin που απαιτούν τα qubits. Προκαλεί λιγότερη αναστάτωση στο σύστημα επειδή δεν χρειάζεται να φέρουμε τη συσκευή σε υψηλές θερμοκρασίες ή να ενισχύσουμε το σήμα μέτρησης qubit για να έχουμε αποτελέσματα. Στο μέλλον, η συσκευή μας θα μπορούσε να αποτελέσει εξάρτημα για την ανάγνωση qubits σε έναν κβαντικό υπολογιστή.”
Ερευνητικές εγκαταστάσεις και χρηματοδότηση
Η εργασία πραγματοποιήθηκε χρησιμοποιώντας τις εγκαταστάσεις του OtaNano, της εθνικής ερευνητικής υποδομής της Φινλανδίας για νανο-, μικρο- και κβαντικές τεχνολογίες.
Η χρηματοδότηση του έργου προήλθε κυρίως από την πρωτοβουλία Future Makers, η οποία υποστηρίζεται από το Ίδρυμα Jane and Atos Erko και την Τεχνολογική Βιομηχανία του Ιδρύματος Centennial της Φινλανδίας.
