Pesquisadores na Finlândia fizeram um grande avanço na tecnologia de medição ultrassensível ao detectar uma quantidade de energia menor que um zeptojoule, que é menos de um trilionésimo de bilionésimo de joule. A descoberta poderá melhorar a tecnologia de computação quântica, apoiar a procura de matéria escura e, eventualmente, tornar possível a contagem de fotões individuais.
A mecânica quântica funciona em escalas incrivelmente pequenas, e os cientistas estão constantemente desenvolvendo ferramentas mais precisas para medir e controlar partículas transportadoras de luz, como os fótons. Maior precisão poderia abrir as portas para dispositivos quânticos mais poderosos e novas maneiras de estudar alguns dos maiores mistérios do universo.
Um zeptojoule é uma quantidade de energia quase inimaginavelmente pequena. Isto é aproximadamente igual à quantidade de trabalho exigido pela gravidade da Terra para mover um glóbulo vermelho um nanômetro.
A equipe de pesquisa foi liderada pelo professor Miko Motonen da Academia da Universidade Aalto em colaboração com a empresa de computação quântica IQM e o Centro de Pesquisa Técnica da Finlândia (VTT). Suas descobertas são publicadas na revista Eletrônica da Natureza.
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 este pequeno sinal é muito mais difícil do que enviar um feixe para um detector e ler o resultado.
Os cientistas direcionaram um pulso de micro-ondas para um sensor feito de dois tipos de metal. Uma parte consiste em supercondutores, materiais que permitem que a eletricidade flua livremente sem resistência. Outras peças utilizam condutores comuns, que resistem à corrente elétrica.
“Essa combinação de metais torna a supercondutividade um fenômeno tão frágil que a temperatura do condutor ultrafrio é imediatamente enfraquecida por um ligeiro aumento de temperatura. Isso a torna uma configuração tão sensível”, disse Motonen, que também é fundador do unicórnio de computador quântico IQM.
Depois de filtrar cuidadosamente o sinal, os pesquisadores confirmaram que detectaram um pulso eletromagnético medindo apenas 0,83 zeptojoules. Segundo a equipe, é a primeira vez que um aparelho de medição calorimétrica atinge tal sensibilidade.
Computação Quântica e as Implicações da Matéria Escura
O avanço poderá eventualmente permitir que os cientistas contem fótons individuais, um objetivo de longa data na tecnologia quântica e na astrofísica.
“Queremos permitir que esta configuração meça dados que tenham um tempo de chegada arbitrário, o que é importante para coisas como a detecção do eixo da matéria escura no espaço, quando não temos ideia de quando ela poderá chegar ao nosso sistema.”
Os pesquisadores também acreditam que a tecnologia pode se tornar útil em computadores quânticos porque o calorímetro opera nas mesmas temperaturas milikelvin extremamente frias exigidas pelo único qubit fundamental de informação quântica.
“Um calorímetro opera na mesma temperatura de milikelvin exigida pelos qubits. Causa menos interrupções no sistema porque não precisamos levar o dispositivo a altas temperaturas ou amplificar o sinal de medição do qubit para obter resultados. No futuro, nosso dispositivo poderá ser um componente para leitura de 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 financiamento para o projeto veio principalmente da iniciativa Future Makers, que é apoiada pela Fundação Jane e Atos Erko e pela Indústria de Tecnologia da Fundação Centenário da Finlândia.
