Các mạng lưới lượng tử tăng độ chính xác cho các cuộc tìm kiếm vật chất tối

Việc dò vật chất tối – hợp chất bí ẩn gắn kết các thiên hà lại với nhau – là một trong những bài toán chưa giải lớn nhất của vật lý.

Dẫu vật chất tối vô hình và không thể chạm đến một cách trực tiếp, các nhà khoa học vẫn tin rằng vẫn có những tín hiệu yếu ớt của vật chất tối mà họ có thể nắm bắt được bằng những thiết bị lượng tử siêu nhạy.

Trong một nghiên cứu mới xuất bản trên tạp chí Physical Review D, các nhà nghiên cứu tại ĐH Tohoku đề xuất một cách để thúc đẩy độ nhạy của các cảm biến lượng tử bằng việc kết nối chúng trong một cấu trúc mạng lưới được thiết kế một cách cẩn thận.

Các cảm biến lượng tử đó sử dụng quy tắc của vật lý lượng tử để dò những tín hiệu mờ nhạt đến cực đoan, khiến cho chúng vượt xa độ nhạy của các cảm biến thông thường. Bằng cách đó, việc dò một cách chính xác các manh mối mờ nhạt do vật chất tối phát ra có thể cuối cùng cũng trở nên khả thi.

Nghiên cứu mới tập trung vào các bit lượng tử siêu dẫn, vốn là những mạch điện nhỏ được làm mát ở những mức nhiệt độ cực thấp. Các bit lượng tử này thông thường được sử dụng như những khối cơ bản của máy tính lượng tử nhưng tại đây, chúng đóng vai trò như những cảm biến lượng tử siêu nhạy. Giống như một tập thể làm việc cùng nhau sẽ đạt được thành công hơn một cá nhân, việc gắn kết nhiều bit lượng tử siêu dẫn trong một mạng lưới tối ưu cho phép họ dò được những tín hiệu yếu ớt của vật chất tối hiệu quả hơn nhiều so với bất kỳ cảm biến nào có thể làm được.

Nhóm nghiên cứu đã kiểm tra những mẫu hình mạng lưới khácn hau như dạng vòng, tuyến tính, ngôi sao, và kết nối đồ thị một cach đầy đủ, sử dụng các hệ thống gồm bốn và chín bit lượng tử. Sau đó họ áp dụng phép đo lượng tử biến phân (một phương pháp tương tự với huấn luyện một mô hình máy học để tối ưu cách các trạng thái lượng tử được chuẩn bị và đo đạc. Để tinh chỉnh các kết quả, ước lượng Bayes đã được sử dụng để lọc nhiễu, giống như làm sắc nét một hình ảnh mờ nhòe.

Phát hiện thu được đã gây bất ngờ: các mạng lưới tối ưu vượt trội về hiệu suất so với các phương pháp truyền thống, thậm chí ngay cả khi nhiễu thực tế được đưa vào. Điều này chứng tỏ cách tiếp cận của họ có thể hoạt động trong các thiết bị lượng tử ngày nay.

“Mục tiêu của chúng tôi là định hình ra cách vận hành và tinh chỉnh các cảm biến lượng tử, để chúng có thể dò được vật chất tối hiệu quả hơn”, TS. Le Bin Ho, người từng nghiên cứu tại phân hiệu Viện Vật lý (VAST) ở TPHCM và là tác giả chính của nghiên cứu, nói. “Cấu trúc của mạng lưới này đóng vai trò quan trọng trong việc tăng cường độ nhạy, và chúng tôi đang chứng tỏ là nó có thể làm được thông qua việc sử dụng các mạch đơn giản liên quan”.

Ngoài vật chất tối, các mạng lưới cảm biến lượng tử có thể làm thúc đẩy các công nghệ như radar lượng tử, dò sóng hấp dẫn và các đồng hồ siêu chính xác. Hơn nữa, một ngày nào đó chúng có thể làm cải thiện độ chính xác của GPS, tăng cường kỹ thuật chụp ảnh não với máy cộng hưởng từ hoặc giúp dò được những cấu trúc ẩn dưới lòng đất.

“Nghiên cứu này chứng tỏ các mạng lưới lượng tử được thiết kế một cách cẩn thận có thể thúc đẩy những đường biên khả thể trong đo đạc chính xác”, TS. Le Bin Ho cho biết thêm. “Nó mở ra cánh cửa mới cho việc sử dụng các cảm biến lượng tử không chỉ trong các phòng thí nghiệm mà còn cho các công cụ cần có được độ nhạy cực đoan ở thế giới thực”.

Nhìn về phía trước, nhóm nghiên cứu lên kế hoạch mở rộng cách tiếp cận này trên những mạng lưới lớn hơn và khám phá những cách khiến cho các cảm biến này thêm khả năng kháng nhiễu.

Nguyễn T. Lan dịch từ ĐH Tohoku

Nguồn:https://www.tohoku.ac.jp/en/press/quantum_networks_bring_new_precision_to_dark_matter_searches.html