Ученые только что измерили энергетический импульс, величина которого меньше триллионной доли миллиардной доли джоуля
Недавно разработанный квантовый сенсор измерил невероятно малые количества энергии с рекордной точностью.
Новая методика измерения невероятно малых количеств энергии может способствовать развитию квантовых вычислений и улучшить поиск темной материи. Метод достаточно чувствителен, чтобы обнаружить менее триллионной доли миллиардной доли джоуля, и в конечном итоге может позволить ученым подсчитывать отдельные фотоны.
Квантовая механика работает в чрезвычайно малых масштабах, поэтому исследователи постоянно разрабатывают более точные инструменты для изучения таких частиц, как фотоны, которые переносят свет. Более точные измерения могут улучшить квантовые технологии и помочь ученым обнаружить гипотетические частицы темной материи, известные как аксионы.
Недавно исследователи в Финляндии использовали сверхчувствительный тепловой сенсор, называемый калориметром, для измерения уровней энергии ниже одного зептоджоуля, что равно одной триллионной доле миллиардной доли джоуля. Для сравнения, зептоджоуль — это примерно количество энергии, необходимое для перемещения эритроцита вверх на один нанометр в условиях земной гравитации.
Исследовательскую группу возглавлял профессор Микко Мёттёнен из Университета Аалто в сотрудничестве с компанией IQM, занимающейся квантовыми вычислениями, и Финским центром технических исследований (VTT). Результаты их работы были опубликованы в журнале Nature Electronics.
Как работает датчик
Измерение энергии в таком масштабе чрезвычайно сложно. Для проведения эксперимента исследователи направили микроволновой импульс в датчик, изготовленный из двух типов металлов: сверхпроводников, которые позволяют электрическим сигналам свободно распространяться, и стандартных проводников, которые создают сопротивление.
«Такое сочетание металлов делает сверхпроводимость настолько хрупким явлением, что она мгновенно ослабевает, если температура в сверххолодном проводнике повышается даже немного. Это делает установку такой чувствительной», — говорит Мёттёнен, который также является основателем компании IQM, занимающейся разработкой квантовых компьютеров.
После фильтрации фонового шума исследователи подтвердили, что устройство обнаружило электромагнитный импульс, несущий всего 0,83 зептоджоуля энергии. По словам команды, это первый случай, когда калориметрическое измерительное устройство достигло такого уровня чувствительности.
Последствия для квантовых технологий и поиска темной материи
Исследователи говорят, что эта технология в конечном итоге может позволить подсчитывать отдельные фотоны. Мёттёнен объяснил, что достижение такого уровня чувствительности является давней целью как в квантовых исследованиях, так и в астрофизике.
«Мы хотим сделать эту установку способной измерять входные сигналы с произвольным временем прихода, что важно для таких задач, как обнаружение аксионов темной материи в космосе, когда вы не знаете, когда они могут достичь вашей системы».
Мёттёнен также сказал, что калориметр имеет важное преимущество для приложений квантовых вычислений, поскольку он работает при тех же сверхнизких температурах в милликельвинах, которые необходимы для кубитов.
«Калориметр работает при тех же температурах в милликельвинах, которые необходимы для кубитов. Это вносит меньше помех в систему, поскольку нам не нужно нагревать устройство до высокой температуры или усиливать сигнал измерения кубита для получения результата. В будущем наше устройство может стать компонентом для считывания данных с кубитов, например, в квантовых компьютерах».
