När kvantteknologin fortsätter att komma till sin rätt, investeringar sker på global skala. Snart, vi kunde se förbättringar i maskininlärningsmodeller, finansiell riskbedömning, effektiviteten hos kemiska katalysatorer och upptäckten av nya mediciner.

Som många vetenskapsmän, företag och regeringar skyndar sig att investera i den nya eran av kvantteknologi, en avgörande del av denna våg av innovation är kvantsensorn. Att förbättra dessa enheter kan innebära kraftfullare datorer, bättre detektorer av sjukdomar och tekniska framsteg kan forskare inte ens förutse än.

En vetenskaplig studie från University of Chicagos Institute for Molecular Engineering publicerad 17 oktober i Naturkommunikation kan få spännande konsekvenser för utvecklingsvärlden av kvantavkänning – och kvantteknologi som helhet.

"Vi tog en nyligen föreslagen idé att göra bättre optiska klassiska sensorer och frågade om samma idé skulle fungera i en kvantmiljö, " sa Aashish Clerk, en av studiens författare och professor vid Institutet för molekylär teknik. "Vi upptäckte att den här idén inte riktigt fungerar i kvantmiljöer, men att ett annat något relaterat tillvägagångssätt kan ge dig en enorm fördel."

I en kvantmiljö, optiska sensorer är vanligtvis begränsade eftersom ljus består av partiklar, och denna diskrethet leder till oundvikligt brus. Men denna studie avslöjade en oväntad metod för att bekämpa den begränsningen.

"Vi tror att vi har upptäckt en ny strategi för att bygga extremt kraftfulla kvantsensorer, " Fortsatte kontorist.

Vägen till riktningsprincipen

Kontorist och medförfattare Hoi-Kwan Lau, en postdoktor vid UChicago, inspirerades av nyare högprofilerade studier som visade hur man drastiskt kan förbättra en vanlig optisk avkänningsteknik. "Knepet" innebär att ställa in system till en exceptionell punkt, eller en punkt där två eller flera ljuslägen möts vid en specifik frekvens.

Lau och Clerk ville se om denna metod kunde lyckas i miljöer där kvanteffekter var viktiga. Målet var att ta hänsyn till oundvikligt "kvantbrus" - fluktuationer förknippade med det faktum att ljus har både en vågliknande och en partikelliknande karaktär, Kontorist förklarade.

Studien fann att den exceptionella punkttekniken var ohjälpsam i en kvantmiljö, men forskningen ledde ändå till lovande resultat.

"De goda nyheterna är att vi hittat ett annat sätt att bygga en kraftfull ny typ av sensor som har fördelar även i kvantregimer, ", sa kontorist. "Idén är att konstruera ett system som är 'riktriktat, ' vilket betyder att fotoner bara kan röra sig i en riktning."

Denna riktningsprincip – en baserad på att fotoner bara kan röra sig i en riktning – är en helt ny utveckling inom kvantavkänning.

Nya utvecklingar inom kvantavkänning

När det gäller verkliga applikationer, mycket effektiva kvantsensorer kan förändra spelet. Kvantsystem är känsliga för de minsta miljöförändringar, så dessa detektorer har potential att vara otroligt kraftfulla.

Dessutom, några av de konstigaste aspekterna av kvantbeteende, såsom kvantintrassling, kan göra dem ännu starkare. Kvantsammanflätning, ett förbryllande fenomen även för forskare, beskriver hur två partiklar kan separeras på ett stort avstånd men ändå påverkar åtgärder som utförs på en partikel omedelbart den andra. Denna intrassling kan utnyttjas för att göra kvantsensorer överraskande motståndskraftiga mot vissa typer av brus.

I framtiden, ny utveckling inom kvantavkänning kan leda till betydande framsteg inom en mängd olika områden. Klassen av optiska sensorer som beskrivs i studien kan användas för att detektera virus i vätskor, till exempel. De kan också fungera som avläsningsenheter för kvantbitar i en supraledande kvantdator.

"Vi tror att vår idé har potential att generera stora förbättringar i många av dessa applikationer, " Förklarade kontorist.

Studiens implikationer för kvantberäkning är särskilt spännande. Kvantdatorer har inte bara potential att dramatiskt öka beräkningshastigheterna, men de kan också ta itu med problem som är helt omöjliga med traditionell datoranvändning.

Lau och Clerk planerar att göra ytterligare forskning om deras förbättrade avkänningsteknik. Clerk har fortfarande många frågor:"Vad avgör hur snabb vår sensor är? Finns det grundläggande begränsningar för dess hastighet? Kan den användas för att upptäcka signaler som inte nödvändigtvis är små?"

Deras största hopp, Kontorist förklarade, är att inspirera andra forskare att bygga förbättrade kvantsensorer som utnyttjar denna nyupptäckta princip.