暗物質是一種保持星系完整的不可見物質，探測暗物質仍然是物理學中最持久的謎團之一。儘管無法直接觀察或觸摸，但研究人員懷疑暗物質會留下微弱的痕跡。這些微妙的信號可以通過先進的量子技術來檢測，這些技術可以感知非常小的干擾。
東北大學的一個團隊提出了一種新策略，通過將量子傳感器連接到精心設計的網絡中，使它們變得更強大。這些傳感器基於量子物理原理，可以測量普通儀器會錯過的微小波動。研究人員相信，通過將它們插入優化的模型中，有可能以前所未有的精度檢測暗物質指紋。
超導量子位成為宇宙探測器
該研究基於超導量子位，即保持在極低溫度下的微型電子電路。這些量子位通常用於量子計算機，但在這種情況下它們充當超靈敏探測器。這個概念類似於團隊合作——雖然單個傳感器可能難以接收微弱的信號，但協調的量子位網絡可以更有效地放大和識別信號。
為了測試這個概念，該團隊嘗試了各種網絡結構，包括環形、線形、星形和全連接配置。他們使用四到九個量子位構建系統，然後應用可變量子計量學（一種訓練機器學習算法的技術）來微調量子態的準備和測量方式。為了進一步提高準確性，他們使用貝葉斯估計來減少噪聲，類似於銳化模糊照片。
強勁的結果展示了現實世界的潛力
即使添加了真實的噪聲，優化網絡的性能始終優於傳統方法。這一結果表明該方法已經可以在現有的量子設備中實現。
該研究的主要作者 Le Bin Ho 博士解釋說：“我們的目標是研究如何佈置和固定量子傳感器，以便更可靠地檢測暗物質。” “網絡結構在提高靈敏度方面發揮著關鍵作用，我們已經證明它可以使用相對簡單的電路來完成。”
除了尋找暗物質之外，這些量子傳感器網絡還可能帶來技術的重大進步。潛在的應用包括量子雷達、引力波探測和高精度計時。未來，同樣的方法可以幫助提高 GPS 精度、改善 MRI 腦部掃描，甚至揭示隱藏的地下結構。
“這項研究表明，精心設計的量子網絡可以突破精密測量的極限，”何博士補充道。 “它不僅為實驗室中使用量子傳感器打開了大門，而且還為需要極高靈敏度的現實世界儀器中使用量子傳感器打開了大門。”
量子研究的下一步
展望未來，東北大學團隊計劃將這種方法擴展到更大的傳感器網絡，並開發技術使其對噪聲更具彈性。
他們的研究結果發表在 物理檢查D 2025 年 10 月 1 日。
