La detección de materia oscura, la elusiva sustancia que se cree que desempeña un papel crucial en mantener unidas las galaxias, continúa desconcertando a los científicos. Aunque no se puede ver ni medir directamente, los investigadores teorizan que la materia oscura puede dejar rastros tenues que pueden detectarse con tecnologías avanzadas. Un equipo de la Universidad de Tohoku está explorando un nuevo enfoque prometedor que mejora las capacidades de los sensores cuánticos a través de redes complejas.
Estos sensores cuánticos utilizan los principios de la física cuántica para capturar pequeñas fluctuaciones que los instrumentos tradicionales suelen pasar por alto. Los investigadores proponen que al conectar estos sensores en redes estratégicamente diseñadas, pueden aumentar su capacidad colectiva para identificar las señales sutiles asociadas con la materia oscura.
El núcleo de esta innovadora investigación lo forman los qubits superconductores: pequeños circuitos electrónicos que deben mantenerse a temperaturas extremadamente bajas. Estos qubits, típicamente asociados con computadoras cuánticas, se están reutilizando en este contexto para que actúen como dispositivos sensores altamente sensibles. La analogía que utilizan los investigadores es que un solo sensor puede tener dificultades para detectar una señal débil, pero una serie coordinada de sensores que trabajan juntos pueden amplificar y localizar significativamente la señal.
El equipo de la Universidad de Tohoku realizó experimentos utilizando diferentes estructuras de red, como configuraciones de anillo, línea, estrella y totalmente conectadas. Construyeron sistemas de sensores compuestos por cuatro y nueve qubits y utilizaron metrología cuántica variable, una técnica similar a los algoritmos de entrenamiento en el aprendizaje automático, para optimizar la forma en que se preparaban y evaluaban los estados cuánticos. Además, incorporaron estimación bayesiana para reducir aún más el ruido, de forma similar a mejorar una imagen borrosa.
Los resultados de estas redes optimizadas fueron notables y demostraron un rendimiento consistentemente superior en comparación con los métodos convencionales, incluso en condiciones de mucho ruido. Este resultado indica que el nuevo enfoque se puede implementar con la tecnología cuántica actual.
El Dr. Le Bin Ho, autor principal del estudio, enfatizó la importancia de organizar y ajustar los sensores cuánticos para detectar de manera más confiable la materia oscura. Señaló que la estructura de la red es crucial para mejorar la sensibilidad y que la simplicidad de los circuitos utilizados es prometedora.
Las implicaciones de esta investigación se extienden más allá de la búsqueda de información sobre la materia oscura. Los avances en las redes de sensores cuánticos podrían conducir a avances en varias áreas tecnológicas, incluido el radar cuántico, la detección de ondas gravitacionales y los mecanismos de sincronización de alta precisión. Las aplicaciones futuras también podrían mejorar la precisión del GPS, mejorar las imágenes de resonancia magnética del cerebro y proporcionar información sobre estructuras subterráneas ocultas.
Esta investigación representa un importante paso adelante en la búsqueda de mediciones de precisión. El Dr. Ho señaló que la creación de redes cuánticas bien diseñadas puede traspasar los límites de lo factible y transferir el uso de sensores cuánticos de entornos de laboratorio a aplicaciones prácticas del mundo real que requieren una sensibilidad extrema.
De cara al futuro, los investigadores de la Universidad de Tohoku planean ampliar las redes de sensores e idear medios para hacerlas más resistentes al ruido ambiental. Sus hallazgos, que destacan este progreso, están documentados en una publicación reciente en Physical Review D.
