Identificar la materia oscura, la sustancia invisible que se cree que mantiene intactas las galaxias, es uno de los misterios más perdurables de la física. Aunque no se puede observar ni tocar directamente, los investigadores sospechan que la materia oscura deja rastros débiles. Estas señales sutiles se pueden detectar utilizando tecnología cuántica avanzada que puede detectar perturbaciones extremadamente pequeñas.
Un equipo de la Universidad de Tohoku ha propuesto una nueva técnica para hacer que los sensores cuánticos sean más potentes vinculándolos en redes cuidadosamente diseñadas. Estos sensores se basan en los principios de la física cuántica para medir fluctuaciones diminutas que los instrumentos ordinarios podrían pasar por alto. Al conectarlos a patrones optimizados, los investigadores creen que puede ser posible detectar la elusiva huella dactilar de la materia oscura con una precisión sin precedentes.
Los qubits superconductores se convierten en descubridores cósmicos
Centro de investigación sobre qubits superconductores, pequeños circuitos electrónicos mantenidos a temperaturas ultrabajas. Estos qubits se suelen utilizar en ordenadores cuánticos, pero en este caso actúan como detectores ultrasensibles. El concepto es similar al trabajo en equipo: mientras que un solo sensor puede tener dificultades para captar una señal débil, una red integrada de qubits puede amplificarla y detectarla de manera más efectiva.
Para probar esta idea, el equipo experimentó con diferentes tipos de estructuras de red, incluidas configuraciones en anillo, en línea, en estrella y completamente conectadas. Construyeron sistemas utilizando cuatro y nueve qubits y luego aplicaron metrología cuántica variacional (una técnica que funciona de manera muy similar a entrenar un algoritmo de aprendizaje automático) para afinar cómo se preparaban y medían los estados cuánticos. Para mejorar aún más la precisión, utilizaron la inferencia bayesiana para reducir el ruido, de forma similar a enfocar una fotografía borrosa.
Resultados potentes muestran potencial en el mundo real
Las redes optimizadas superan consistentemente a los enfoques convencionales, incluso cuando se agrega ruido realista. Este resultado sugiere que el método se puede aplicar a dispositivos cuánticos ya existentes.
“Nuestro objetivo era aprender cómo organizar y ajustar los sensores cuánticos para que puedan detectar la materia oscura de forma más fiable”, explicó el Dr. Le Binh Ho, autor principal del estudio. “La estructura de la red juega un papel clave en el aumento de la sensibilidad y hemos demostrado que esto se puede hacer utilizando circuitos relativamente simples”.
Más allá de la búsqueda de materia oscura, estas redes de sensores cuánticos podrían impulsar importantes avances tecnológicos. Las aplicaciones potenciales incluyen radar cuántico, detección de ondas gravitacionales y cronometraje de alta precisión. En el futuro, el mismo método podría ayudar a mejorar la precisión del GPS, mejorar los escáneres cerebrales por resonancia magnética e incluso revelar estructuras subterráneas ocultas.
“Esta investigación muestra que las redes cuánticas cuidadosamente diseñadas pueden traspasar los límites de lo que es posible en mediciones de precisión”, añadió el Dr. Ho. “Esto abre la puerta al uso de sensores cuánticos, no sólo en el laboratorio, sino en dispositivos del mundo real que requieren una sensibilidad extrema”.
Próximos pasos para la investigación cuántica
De cara al futuro, el equipo de la Universidad de Tohoku planea ampliar este enfoque a redes de sensores más grandes y desarrollar técnicas para hacerlas más resistentes al ruido.
Sus hallazgos fueron publicados examen físico d El 1 de octubre de 2025.
