La détection de la matière noire – la substance mystérieuse qui maintient les galaxies ensemble – est l’un des plus grands problèmes non résolus de la physique. Bien qu’elle ne puisse pas être vue ou touchée directement, les scientifiques pensent que la matière noire laisse de faibles signaux qui pourraient être captés par des appareils quantiques très sensibles.
Dans une nouvelle étude publiée dans Examen physique Ddes chercheurs de l'Université du Tohoku proposent un moyen d'augmenter la sensibilité des capteurs quantiques en les connectant dans des structures de réseau soigneusement conçues. Ces capteurs quantiques utilisent les règles de la physique quantique pour détecter des signaux extrêmement petits, ce qui les rend bien plus sensibles que les capteurs ordinaires. En les utilisant, il pourrait enfin devenir possible de détecter avec précision les faibles indices laissés par la matière noire.
L’étude se concentre sur les qubits supraconducteurs, qui sont de minuscules circuits électriques refroidis à très basse température. Ces qubits sont normalement utilisés comme éléments constitutifs des ordinateurs quantiques, mais ils agissent ici comme de puissants capteurs quantiques. Tout comme une équipe travaillant ensemble peut réaliser plus qu'une seule personne, relier plusieurs de ces qubits supraconducteurs dans un réseau optimisé leur permet de détecter les signaux faibles de la matière noire beaucoup plus efficacement que n'importe quel capteur seul.
L’équipe a testé différents modèles de réseau, tels que des graphiques en anneau, en ligne, en étoile et entièrement connectés, en utilisant des systèmes de quatre et neuf qubits. Ils ont ensuite appliqué la métrologie quantique variationnelle (une méthode similaire à la formation d’un modèle d’apprentissage automatique) pour optimiser la façon dont les états quantiques étaient préparés et mesurés. Pour affiner les résultats, une estimation bayésienne a été utilisée pour filtrer le bruit, un peu comme pour affiner une image floue.
Les résultats ont été frappants : les réseaux optimisés ont systématiquement surpassé les méthodes traditionnelles, même lorsqu'un bruit réaliste a été introduit. Cela montre que cette approche peut fonctionner sur les appareils quantiques actuels.
« Notre objectif était de comprendre comment organiser et affiner les capteurs quantiques afin qu'ils puissent détecter la matière noire de manière plus fiable », a déclaré le Dr Le Bin Ho, auteur principal de l'étude. « La structure du réseau joue un rôle clé dans l'amélioration de la sensibilité, et nous avons montré que cela peut être réalisé à l'aide de circuits relativement simples. »
Au-delà de la matière noire, ces réseaux de capteurs quantiques pourraient faire progresser des technologies telles que le radar quantique, la détection des ondes gravitationnelles et la chronométrage ultra-précis. En outre, ils pourraient un jour améliorer la précision du GPS, améliorer l’imagerie cérébrale grâce à l’IRM ou aider à détecter des structures souterraines cachées.
« Cette recherche montre que des réseaux quantiques soigneusement conçus peuvent repousser les limites de ce qui est possible en matière de mesure de précision », a ajouté le Dr Ho. « Cela ouvre la porte à l'utilisation de capteurs quantiques non seulement dans les laboratoires, mais aussi dans des outils du monde réel qui nécessitent une sensibilité extrême. »
Pour l’avenir, l’équipe prévoit d’étendre cette approche à des réseaux plus vastes et d’explorer des moyens de rendre les capteurs plus résistants au bruit.
