Os investigadores na Finlândia fizeram progressos significativos na tecnologia de medição ultra-sensível, detectando energias inferiores a um joule (menos de um trilionésimo de bilionésimo de joule). Esta descoberta poderá melhorar a tecnologia de computação quântica, apoiar a procura de matéria escura e, em última análise, tornar possível a contagem de fotões individuais.
A mecânica quântica opera em escalas extremamente pequenas, e os cientistas estão constantemente desenvolvendo ferramentas mais precisas para medir e controlar fenômenos como os fótons (partículas que transportam luz). Maior precisão poderia abrir as portas para dispositivos quânticos mais poderosos e novas maneiras de estudar alguns dos maiores mistérios do universo.
Um zjoule é uma quantidade de energia quase inimaginavelmente pequena. É aproximadamente equivalente ao trabalho necessário para mover um glóbulo vermelho para cima em um nanômetro devido à gravidade da Terra.
A equipe de pesquisa, liderada pelo professor Mikko Möttönen do Aalto University College, colaborou com a empresa de computação quântica IQM e o Centro Finlandês de Pesquisa Tecnológica (VTT). Suas descobertas foram publicadas na revista eletrônica natural.
Detector de energia quântica ultrassensível
Para atingir esse nível de sensibilidade, os pesquisadores usaram um calorímetro, dispositivo projetado para medir mudanças extremamente pequenas na energia térmica. Medir um sinal tão pequeno é muito mais difícil do que simplesmente enviar um feixe de luz a um detector e ler o resultado.
Os cientistas introduziram pulsos de micro-ondas em um sensor feito de dois metais. Parte dele consiste em um supercondutor, material que permite que a corrente elétrica se mova livremente sem resistência. A outra parte utiliza condutores comuns que podem resistir ao fluxo de eletricidade.
“Essa combinação de metais torna a supercondutividade muito frágil, e se a temperatura no condutor superfrio aumentar um pouco, a supercondutividade enfraquece imediatamente. Isso o torna um dispositivo muito sensível”, disse Motonen, que também é o fundador do computador quântico unicórnio IQM.
Depois de filtrar cuidadosamente o sinal, os pesquisadores confirmaram que detectaram um pulso eletromagnético de apenas 0,83 zjoules. Segundo a equipe, esta é a primeira vez que um dispositivo de medição calorimétrica atinge uma sensibilidade tão alta.
Implicações para a computação quântica e a matéria escura
O avanço poderá eventualmente permitir aos cientistas contar o número de fótons individuais, um objetivo de longo prazo na tecnologia quântica e na astrofísica.
“Queremos permitir que este dispositivo meça entradas com tempos de chegada arbitrários, o que é importante para detectar coisas como áxions de matéria escura no espaço, porque você não sabe quando eles chegarão ao seu sistema.”
Os pesquisadores também acreditam que a tecnologia poderia funcionar em computadores quânticos porque o calorímetro opera na mesma temperatura milikelvin extremamente fria necessária para qubits, a unidade básica de informação quântica.
“O calorímetro opera na mesma temperatura de milikelvin exigida para o qubit. Isso é menos prejudicial para o sistema porque não precisamos submeter o dispositivo a altas temperaturas ou amplificar o sinal de medição do qubit para obter os resultados. Por exemplo, no futuro, nosso dispositivo poderá ser um componente que lê os qubits em um computador quântico. “
Instalações de pesquisa e financiamento
O trabalho foi realizado utilizando as instalações da OtaNano, a infraestrutura nacional de pesquisa da Finlândia para tecnologias nano, micro e quânticas.
O projeto é financiado principalmente pela iniciativa Future Makers e é apoiado pela Fundação Jane e Aatos Erkko e pela Fundação Centenária da Indústria Tecnológica Finlandesa.
