Pesquisadores da Universidade de Tohoku desenvolveram um método para aprimorar sensores quânticos conectando qubits supercondutores em redes otimizadas, potencialmente detectando sinais fracos de matéria escura. Essa abordagem supera métodos tradicionais mesmo em condições de ruído realistas. As descobertas podem se estender a aplicações em radar, ressonância magnética e tecnologias de navegação.
Detectar a matéria escura, a substância invisível que se acredita manter as galáxias unidas, continua sendo um grande desafio na física. Embora não possa ser observada diretamente, os cientistas suspeitam que ela deixa traços sutis que tecnologias quânticas avançadas possam capturar. Uma equipe da Universidade de Tohoku introduziu uma estratégia para aumentar a sensibilidade de sensores quânticos ligando-os em redes cuidadosamente projetadas.
A pesquisa foca em qubits supercondutores, pequenos circuitos eletrônicos mantidos em temperaturas extremamente baixas. Tipicamente usados em computadores quânticos, esses qubits servem aqui como detectores ultrassensíveis. Ao organizá-los em padrões como anéis, linhas, estrelas ou estruturas totalmente conectadas, as redes amplificam sinais fracos de forma mais eficaz do que um único sensor poderia.
A equipe testou sistemas com quatro e nove qubits, empregando metrologia quântica variacional — semelhante ao treinamento de um algoritmo de aprendizado de máquina — para otimizar a preparação do estado quântico e a medição. Eles também aplicaram estimativa bayesiana para mitigar o ruído, semelhante a afiar uma imagem borrada. Mesmo com ruído realista adicionado, as redes otimizadas superaram abordagens convencionais.
"Nosso objetivo era descobrir como organizar e ajustar finamente sensores quânticos para que possam detectar matéria escura de forma mais confiável", disse o Dr. Le Bin Ho, autor principal do estudo. "A estrutura da rede desempenha um papel chave no aprimoramento da sensibilidade, e mostramos que isso pode ser feito usando circuitos relativamente simples."
Além da detecção de matéria escura, a técnica promete aplicações em radar quântico, detecção de ondas gravitacionais, cronometragem precisa, maior precisão no GPS, exames de ressonância magnética aprimorados e mapeamento de estruturas subterrâneas. "Esta pesquisa mostra que redes quânticas cuidadosamente projetadas podem expandir os limites do que é possível na medição de precisão", acrescentou o Dr. Ho. "Ela abre a porta para o uso de sensores quânticos não apenas em laboratórios, mas em ferramentas do mundo real que exigem sensibilidade extrema."
A equipe planeja escalar para redes maiores e melhorar a resiliência ao ruído. Seu trabalho, coescrito com Adriel I. Santoso, foi publicado na Physical Review D em 1º de outubro de 2025.