Финские исследователи совершили прорыв в сверхчувствительных измерениях, зафиксировав энергию менее одного зептоджоуля — это меньше триллионной доли миллиардной доли джоуля. Такая невероятная точность открывает путь к созданию более мощных квантовых компьютеров, поиску частиц тёмной материи и, возможно, даже к подсчёту отдельных фотонов — мельчайших частиц света. Для наглядности: один зептоджоуль примерно равен энергии, необходимой, чтобы поднять одну красную кровяную клетку на высоту всего одного нанометра в гравитационном поле Земли.
Команда под руководством академика Микко Мёттёнена из Университета Аалто совместно с компанией IQM (финский «единорог» в области квантовых вычислений) и Техническим исследовательским центром Финляндии (VTT) создала калориметр — прибор для измерения крошечных изменений тепловой энергии. Чтобы поймать столь слабый сигнал, учёные направили микроволновый импульс в сенсор, состоящий из двух типов металлов: сверхпроводников (пропускающих ток без сопротивления) и обычных проводников. Эта комбинация делает сверхпроводимость настолько хрупкой, что она нарушается даже при малейшем изменении температуры в охлаждённом проводнике.
После тщательной фильтрации сигнала исследователи подтвердили детектирование электромагнитного импульса энергией всего 0,83 зептоджоуля. По словам команды, это первый случай, когда калориметрическое устройство достигло такой чувствительности. Технология работает при экстремально низких температурах — милликельвинах, что идеально совпадает с условиями, необходимыми для работы кубитов, базовых элементов квантовых компьютеров.
Это достижение может позволить учёным в будущем считать отдельные фотоны — давняя цель в квантовой технологии и астрофизике. Мёттёнен поясняет: «Мы хотим сделать установку способной измерять входящий сигнал с произвольным временем прибытия — это важно, например, для обнаружения аксионов тёмной материи в космосе, когда мы не знаем, когда именно частица достигнет нашей системы». Аксионы — это гипотетические сверхлёгкие элементарные частицы, предсказанные теорией для решения проблемы CP-нарушения в сильных взаимодействиях. Они считаются главными кандидатами на роль тёмной материи, так как их свойства (очень малая масса и чрезвычайно слабое взаимодействие с обычной материей) соответствуют наблюдаемым характеристикам тёмной материи, а также аксионы могли бы производиться в изобилии в ранней Вселенной, объясняя её недостающую массу.
Калориметр вносит меньше помех в квантовую систему, так как не требует нагрева или усиления сигнала. В отличие от традиционных детекторов, используемых в экспериментах по поиску слабо взаимодействующих массивных частиц (WIMP), которые обычно регистрируют ядра отдачи или сцинтилляционные вспышки от столкновений массивных частиц с веществом, данный калориметр предназначен для улавливания сигналов от распада аксионов в магнитном поле (эффект Примакова) или их превращения в фотоны внутри криогенной полости. Основное различие — в подходе: аксионные детекторы, включая этот калориметр, ищут продукты конверсии частиц (рентгеновские фотоны строго определённой энергии), а не кинетические эффекты от столкновений, что требует сверхчувствительных микроволновых резонаторов и экстремально низких температур.
Особый интерес представляет применимость разработки в поисках тёмной материи. Технология уже протестирована в инфраструктуре OtaNano — финского национального центра нано-, микро- и квантовых технологий. Проект получил финансирование в рамках инициативы Future Makers при поддержке Фонда Яне и Аатоса Эркко и Столетнего фонда Технологической промышленности Финляндии. В перспективе устройство может стать стандартным компонентом для считывания кубитов в квантовых компьютерах и для обнаружения неуловимых частиц тёмной материи.
Источник: New quantum sensor could count individual photons and hunt dark matter