Sensores quânticos podem medir mudanças extremamente pequenas em um ambiente, aproveitando fenômenos quânticos como emaranhamento, onde as partículas emaranhadas podem afetar umas às outras, mesmo quando separados por grandes distâncias.

Os pesquisadores esperam criar e usar esses sensores para detectar e diagnosticar doenças, prever erupções vulcânicas e terremotos, ou explore o subsolo sem cavar.

Em busca desse objetivo, pesquisadores teóricos da Pritzker School of Molecular Engineering (PME) da University of Chicago descobriram uma maneira de tornar os sensores quânticos exponencialmente mais sensíveis.

Aproveitando um fenômeno físico único, os pesquisadores calcularam uma maneira de desenvolver um sensor que tem uma sensibilidade que aumenta exponencialmente à medida que cresce, sem usar mais energia. Os resultados foram publicados em 23 de outubro em Nature Communications .

"Isso pode até ajudar a melhorar os sensores clássicos, "disse o Prof. Aashish Escriturário, co-autor do artigo. “É uma forma de construir mais eficiente, sensores poderosos para todos os tipos de aplicações. "

Aproveitando fenômenos da física

Sensores quânticos usam átomos e fótons como sondas de medição, manipulando seu estado quântico. Aumentar a sensibilidade desses sensores - e sensores tradicionais - geralmente significa desenvolver um sensor maior ou usar mais partículas de detecção. Mesmo assim, tais movimentos apenas aumentam a sensibilidade dos sensores quânticos igual ao número de partículas que são adicionadas.

Mas os pesquisadores, liderado pelo estudante de graduação Alexander McDonald, se perguntou se havia uma maneira de aumentar ainda mais a sensibilidade. Eles imaginaram a criação de uma série de cavidades fotônicas, onde os fótons podem ser transportados para cavidades adjacentes. Essa corda pode ser usada como um sensor quântico, mas os pesquisadores queriam saber:se eles criaram uma cadeia cada vez mais longa de cavidades, a sensibilidade do sensor seria maior?

Em sistemas como este, os fótons podem se dissipar - vazar para fora das cavidades e desaparecer. Mas, aproveitando um fenômeno físico chamado dinâmica não-hermitiana, onde a dissipação leva a consequências interessantes, os pesquisadores foram capazes de calcular que uma série dessas cavidades aumentaria a sensibilidade do sensor muito mais do que o número de cavidades adicionadas. Na verdade, aumentaria a sensibilidade exponencialmente no tamanho do sistema.

Não apenas isso, faria isso sem usar nenhuma energia extra e sem aumentar o ruído inevitável das flutuações quânticas. Isso seria uma grande vitória para sensores quânticos, Escriturário disse.

"Este é o primeiro exemplo de um esquema como este - amarrando essas cavidades juntas da maneira certa, podemos ganhar uma quantidade enorme de sensibilidade, "Clerk disse.

Melhorando todos os tipos de sensores quânticos

Para provar a teoria, Clerk está trabalhando com um grupo de pesquisadores que estão construindo uma rede de circuitos supercondutores. Esses circuitos podem mover fótons entre as cavidades da mesma maneira que Clerk descreveu no artigo de pesquisa. Isso poderia criar um sensor que poderia melhorar a forma como as informações quânticas são lidas a partir de bits quânticos, ou qubits.

Clerk também espera examinar como construir plataformas de detecção quântica análogas acoplando spins em vez de cavidades fotônicas, com possíveis implementações baseadas em matrizes de bits quânticos.

"Queremos saber se podemos usar essa física para melhorar todos os tipos de sensores quânticos, "Clerk disse.