Новый квантовый датчик способен считать отдельные фотоны и искать темную материю

Исследователи из Финляндии совершили значительный прорыв в области сверхчувствительных измерений, зафиксировав количество энергии менее одного зептоджоуля — это меньше триллионной доли миллиардной джоуля. Достижение может улучшить технологию квантовых вычислений, помочь в поисках темной материи и в конечном итоге позволить подсчитывать отдельные фотоны.

Зептоджоуль — это невообразимо малая единица энергии. Для сравнения, это примерно эквивалентно работе, необходимой для перемещения эритроцита вверх на один нанометр в поле гравитации Земли.

Команду возглавил профессор Академии Микко Мёттёнен из Университета Аалто в сотрудничестве с компанией по квантовым вычислениям IQM и Техническим исследовательским центром Финляндии (VTT). Результаты их работы были опубликованы в журнале Nature Electronics.

Для достижения такой чувствительности ученые использовали калориметр — устройство, предназначенное для измерения чрезвычайно малых изменений тепловой энергии. Исследователи направили микроволновый импульс на датчик, состоящий из двух типов металлов: сверхпроводников, позволяющих электричеству двигаться без сопротивления, и обычных проводников, которые этому сопротивляются.

«Такое сочетание металлов делает сверхпроводимость настолько хрупким явлением, что она ослабевает мгновенно, если температура в сверххолодном проводнике повышается хотя бы на долю градуса. Это делает установку очень чувствительной», — объясняет Мёттёнен, который также является основателем компании-единорога в сфере квантовых компьютеров IQM.

Тщательно отфильтровав сигнал, исследователи подтвердили, что обнаружили электромагнитный импульс мощностью всего 0,83 зептоджоуля. По словам команды, это первый случай, когда калориметрическое измерительное устройство достигло такой чувствительности.

Прорыв может в будущем позволить ученым подсчитывать отдельные фотоны — давняя цель в квантовой технологии и астрофизике.

«Мы хотим сделать эту установку способной измерять входные данные с произвольным временем прибытия, что важно для таких вещей, как обнаружение аксионов темной материи в космосе, когда вы понятия не имеете, когда они могут достичь вашей системы».

Исследователи также считают, что технология может стать полезной в квантовых компьютерах, поскольку калориметр работает при тех же экстремально низких милликельвиновых температурах, которые требуются кубитам — базовым единицам квантовой информации.

«Калориметр работает при тех же милликельвиновых температурах, что и кубиты. Это вносит меньше помех в систему, поскольку нам не нужно нагревать устройство или усиливать сигнал измерения кубита для получения результата. В будущем наше устройство может стать компонентом для считывания кубитов в квантовых компьютерах», — добавил Мёттёнен.

Работа была выполнена с использованием мощностей OtaNano — национальной исследовательской инфраструктуры Финляндии для нано-, микро- и квантовых технологий. Финансирование проекта в основном поступило от инициативы Future Makers при поддержке Фонда Яне и Аатоса Эркко и Фонда столетия Технологической промышленности Финляндии.