Pesquisadores na Finlândia fizeram um grande avanço na tecnologia de medição ultrassensível, detectando uma quantidade de energia menor que um zeptajoule, 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 fenômenos como os fótons, as partículas que transportam a luz. Maior precisão poderia abrir as portas para dispositivos quânticos mais poderosos e novas maneiras de explorar alguns dos maiores mistérios do universo.
Um zeptajoule é uma quantidade de energia quase inimaginavelmente pequena. Isto é aproximadamente equivalente à quantidade de trabalho necessária para mover um glóbulo vermelho um nanômetro sob a ação da gravidade da Terra.
A equipe de pesquisa foi liderada pela professora da Academia Mika Mötjönen da Universidade de Aalto, em colaboração com a empresa de computação quântica IQM e o Centro de Pesquisa Técnica da Finlândia (VTT). Seus resultados foram publicados na revista Eletrônica da natureza.
Detector de energia quântica ultrassensível
Para atingir esse nível de sensibilidade, os pesquisadores utilizaram um calorímetro, instrumento projetado para medir mudanças extremamente pequenas na energia térmica. Medir sinais tão minúsculos é muito mais difícil do que simplesmente enviar um feixe a um detector e ler o resultado.
Os cientistas direcionaram um pulso de micro-ondas para um sensor construído com dois tipos de metais. Uma parte consistia em supercondutores, materiais que permitem que a eletricidade se mova livremente sem resistência. A outra parte utilizou condutores comuns que resistem ao fluxo elétrico.
“Essa combinação de metais torna a supercondutividade um fenômeno tão frágil que ela enfraquece imediatamente quando a temperatura no condutor ultrafrio aumenta, mesmo que ligeiramente. É isso que a torna uma configuração tão sensível”, diz Mötönen, que também é o fundador do unicórnio de computação quântica IQM.
Depois de filtrar cuidadosamente o sinal, os pesquisadores confirmaram que detectaram um pulso eletromagnético de apenas 0,83 zetajoules. Segundo a equipe, é a primeira vez que um aparelho de medição colorimétrico atinge tal sensibilidade.
Implicações para a computação quântica e a matéria escura
O progresso poderá eventualmente permitir que os cientistas contem fótons individuais, um objetivo de longa data na tecnologia quântica e na astrofísica.
“Queremos tornar esta configuração capaz de medir entradas com tempos de chegada arbitrários, o que é importante para coisas como a detecção de axónios de matéria escura no espaço, quando não temos ideia de quando poderão chegar ao nosso sistema.”
Os pesquisadores também acreditam que a tecnologia pode ser útil em computadores quânticos porque o calorímetro opera nas temperaturas mais baixas de milikelvin exigidas por um qubit, a unidade básica de informação quântica.
“O calorímetro opera nas mesmas temperaturas de milikelvin que os qubits exigem. Isso introduz menos interferência no sistema, pois não precisamos aquecer o dispositivo a altas temperaturas ou amplificar o sinal de medição do qubit para obter um resultado. No futuro, nosso dispositivo poderá se tornar um componente para leitura de qubits, por exemplo, em computadores quânticos.”
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 Aatas Erk e pela Fundação Finlandesa do Século da Indústria Tecnológica.
