شبکه کوانتومی می‌ تواند راز ماده تاریک را فاش کند

محققان دانشگاه توهوکو با طراحی شبکه کوانتومی بهینه، حسگرهایی فوق حساس ساخته‌اند که می‌توانند سیگنال‌های ضعیف ماده تاریک را شناسایی کنند.

به گزارش تک‌ناک، کشف ماده تاریک، آن ماده نامرئی که تصور می‌شود کهکشان‌ها را به هم متصل می‌کند، همچنان یکی از بزرگ‌ترین چالش‌های فیزیک مدرن است. این ماده به‌ طور مستقیم قابل مشاهده نیست، اما اثرات بسیار ضعیفی از خود بر جای می‌گذارد که با ابزارهای کوانتومی فوق‌حساس قابل ردیابی است. در تحقیق اخیر، تیم دانشگاه توهوکو رویکردی تازه معرفی کرده است که عملکرد حسگرهای کوانتومی را با اتصال آنها به شبکه‌های مهندسی‌شده و بهینه، بهبود می‌بخشد.

این حسگرها براساس قوانین فیزیک کوانتومی عمل می‌کنند و قادر هستند سیگنال‌هایی فوق‌العاده ضعیف را شناسایی کنند که حسگرهای معمولی قادر به تشخیص آن نیستند. این پیشرفت ممکن است امکان ردیابی دقیق سرنخ‌های ماده تاریک را در آینده‌ای نزدیک فراهم آورد.

این مطالعه روی کیوبیت‌های ابررسانا متمرکز است؛ مدارهای کوچک الکتریکی که در دماهای بسیار پایین کار می‌کنند. اگرچه این کیوبیت‌ها بشیتر برای ساخت کامپیوترهای کوانتومی استفاده می‌شوند، اما تیم تحقیقاتی، آنها را به حسگرهای کوانتومی قدرتمند تبدیل کرد. با اتصال چندین کیوبیت در شبکه‌های بهینه‌شده، محققان دریافتند که سیستم می‌تواند سیگنال‌های ضعیف ماده تاریک را بسیار موثرتر از عملکرد یک حسگر منفرد شناسایی کند؛ درست مانند تیمی هماهنگ که با همکاری یکدیگر موفقیت بیشتری نسبت به هر عضو به‌تنهایی دارد.

شکار ماده تاریک

تیم تحقیقاتی طراحی‌های متنوع شبکه کوانتومی، شامل حلقه، خط، ستاره و شبکه‌های متصل را با سیستم‌هایی شامل چهار و ۹ کیوبیت بررسی کرد. سپس با استفاده از متروژی کوانتومی واریاسیونال، مشابه روند آموزش مدل‌های یادگیری ماشین، آماده‌سازی و اندازه‌گیری حالت‌های کوانتومی بهینه شد. برای تصحیح نویز و افزایش دقت، از برآورد بیزی استفاده شد که مشابه واضح کردن یک تصویر تار است. نتایج تحقیق چشمگیر بود؛ شبکه‌های بهینه‌شده حتی در حضور نویز واقعی، عملکرد بسیار بهتری از روش‌های سنتی داشتند، که نشان می‌دهد این رویکرد روی دستگاه‌های کوانتومی موجود عملیاتی است.

دکتر له بین هو، نویسنده اصلی مطالعه بیان کرد: «هدف ما یافتن بهترین نحوه سازماندهی و تنظیم حسگرهای کوانتومی برای تشخیص مطمئن‌تر ماده تاریک بود. ساختار شبکه نقش حیاتی در افزایش حساسیت ایفا می‌کند و نشان داده‌ایم که با مدارهای ساده این کار امکان‌پذیر است.» علاوه بر کاربرد در شکار ماده تاریک، این شبکه‌های حسگر کوانتومی می‌توانند رادار کوانتومی، آشکارسازی امواج گرانشی و زمان‌سنجی فوق دقیق را متحول کنند. در آینده، ممکن است به افزایش دقت GPS، بهبود تصویربرداری مغز با MRI و شناسایی سازه‌های زیرزمینی مخفی نیز کمک کنند.

شبکه‌ کوانتومی، گامی فراتر در اندازه‌گیری‌های فوق دقیق

دکتر هو توضیح داد: «این تحقیق نشان می‌دهد که شبکه کوانتومی طراحی‌شده با دقت می‌تواند مرزهای ممکن در اندازه‌گیری‌های فوق دقیق را گسترش دهد. این دستاورد مسیر استفاده از حسگرهای کوانتومی را علاوه بر آزمایشگاه‌ها برای ابزارهای عملی و واقعی نیز باز می‌کند، که نیازمند حساسیت بسیار بالا هستند.» محققان قصد دارند این رویکرد را به شبکه‌های بزرگ‌تر تعمیم دهند و راهکارهایی برای افزایش مقاومت حسگرها در برابر نویز توسعه دهند.