Des chercheurs de l'université de Tohoku ont développé une méthode pour améliorer les capteurs quantiques en connectant des qubits supraconducteurs dans des réseaux optimisés, potentiellement capables de détecter des signaux faibles de matière noire. Cette approche surpasse les méthodes traditionnelles même dans des conditions de bruit réalistes. Les résultats pourraient s'étendre à des applications en radar, IRM et technologies de navigation.
Détecter la matière noire, cette substance invisible censée maintenir les galaxies ensemble, reste un défi majeur en physique. Bien qu'elle ne puisse pas être observée directement, les scientifiques soupçonnent qu'elle laisse des traces subtiles que les technologies quantiques avancées pourraient capter. Une équipe de l'université de Tohoku a introduit une stratégie pour booster la sensibilité des capteurs quantiques en les reliant dans des réseaux soigneusement conçus.
La recherche se concentre sur les qubits supraconducteurs, de minuscules circuits électroniques maintenus à des températures extrêmement basses. Généralement utilisés dans les ordinateurs quantiques, ces qubits servent ici de détecteurs ultrasensibles. En les organisant en motifs comme des anneaux, des lignes, des étoiles ou des structures entièrement connectées, les réseaux amplifient les signaux faibles plus efficacement qu'un seul capteur ne le pourrait.
L'équipe a testé des systèmes avec quatre et neuf qubits, en utilisant la métrologie quantique variationnelle — similaire à l'entraînement d'un algorithme d'apprentissage automatique — pour optimiser la préparation de l'état quantique et la mesure. Ils ont également appliqué l'estimation bayésienne pour atténuer le bruit, comparable à l'affûtage d'une image floue. Même avec un bruit réaliste ajouté, les réseaux optimisés ont surpassé les approches conventionnelles.
"Notre objectif était de déterminer comment organiser et affiner les capteurs quantiques pour qu'ils puissent détecter la matière noire de manière plus fiable", a déclaré le Dr. Le Bin Ho, auteur principal de l'étude. "La structure du réseau joue un rôle clé dans l'amélioration de la sensibilité, et nous avons montré que cela peut être réalisé avec des circuits relativement simples."
Au-delà de la détection de la matière noire, la technique offre des perspectives pour le radar quantique, la détection d'ondes gravitationnelles, la mesure précise du temps, une meilleure précision GPS, des IRM améliorées et la cartographie de structures souterraines. "Cette recherche montre que des réseaux quantiques soigneusement conçus peuvent repousser les limites de ce qui est possible en mesure de précision", a ajouté le Dr. Ho. "Elle ouvre la porte à l'utilisation de capteurs quantiques non seulement en laboratoire, mais dans des outils du monde réel nécessitant une sensibilité extrême."
L'équipe prévoit d'élargir à des réseaux plus grands et d'améliorer la résilience au bruit. Leur travail, coécrit avec Adriel I. Santoso, a été publié dans Physical Review D le 1er octobre 2025.