Kvantsensorer kan mäta extremt små förändringar i en miljö genom att dra fördel av kvantfenomen som intrassling, där intrasslade partiklar kan påverka varandra, även när de är åtskilda av stora avstånd.

Forskare hoppas i slutändan kunna skapa och använda dessa sensorer för att upptäcka och diagnostisera sjukdom, förutsäga vulkanutbrott och jordbävningar, eller utforska under jorden utan att gräva.

I jakten på det målet, teoretiska forskare vid Pritzker School of Molecular Engineering (PME) vid University of Chicago har hittat ett sätt att göra kvantsensorer exponentiellt känsligare.

Genom att utnyttja ett unikt fysikfenomen, forskarna har beräknat ett sätt att utveckla en sensor som har en känslighet som ökar exponentiellt när den växer, utan att använda mer energi. Resultaten publicerades 23 oktober i Naturkommunikation .

"Detta kan till och med hjälpa till att förbättra klassiska sensorer, " sa Prof. Aashish Clerk, medförfattare till tidningen. "Det är ett sätt att bygga mer effektivt, kraftfulla sensorer för alla typer av applikationer."

Utnyttja fysikfenomen

Kvantsensorer använder atomer och fotoner som mätsonder genom att manipulera deras kvanttillstånd. Att öka känsligheten hos dessa sensorer – och traditionella sensorer – innebär ofta att man utvecklar en större sensor eller använder fler avkännande partiklar. Ändå, sådana rörelser ökar bara känsligheten hos kvantsensorer lika med antalet partiklar som tillsätts.

Men forskarna, ledd av doktoranden Alexander McDonald, undrade om det fanns något sätt att öka känsligheten ännu mer. De föreställde sig att skapa en rad fotoniska håligheter, där fotoner kan transporteras till intilliggande kaviteter. En sådan sträng kan användas som en kvantsensor, men forskarna ville veta:Om de skapade en längre och längre kedja av hålrum, skulle sensorns känslighet vara större?

I system som detta, fotoner kan försvinna – läcka ut ur hålrummen och försvinna. Men genom att utnyttja ett fysikfenomen som kallas icke-hermitisk dynamik, där försvinnande leder till intressanta konsekvenser, forskarna kunde beräkna att en sträng av dessa håligheter skulle öka sensorns känslighet mycket mer än antalet tillsatta hålrum. Faktiskt, det skulle öka känsligheten exponentiellt i systemstorlek.

Inte bara det, det skulle göra det utan att använda någon extra energi och utan att öka det oundvikliga bruset från kvantfluktuationer. Det skulle vara en enorm vinst för kvantsensorer, sa kontorist.

"Detta är det första exemplet på ett schema som detta - att genom att stränga ihop dessa håligheter på rätt sätt, vi kan få en enorm mängd känslighet, ", sa kontorist.

Förbättring av alla typer av kvantsensorer

För att bevisa teorin, Clerk arbetar med en grupp forskare som bygger ett nätverk av supraledande kretsar. Dessa kretsar kunde flytta fotoner mellan kaviteter på samma sätt som Clerk beskrev i forskningsartikeln. Det kan skapa en sensor som kan förbättra hur kvantinformation läses ut från kvantbitar, eller qubits.

Clerk hoppas också kunna undersöka hur man konstruerar analoga kvantavkänningsplattformar genom att koppla spins istället för fotoniska kaviteter, med möjliga implementeringar baserade på arrayer av kvantbitar.

"Vi vill veta om vi kan använda den här fysiken för att förbättra alla typer av kvantsensorer, ", sa kontorist.