一个量子位(小矩形)被放置在一个蓝宝石衬底上，放在指尖上显示比例。芝加哥费米拉班大学的科学家们使用了一种类似的量子位元来开发一种技术，该技术将加速寻找轴子暗物质和隐藏的光子。照片来源:Reidar Hahn，费米实验室天富登录现场

 

量子位提供了一种快速、高可靠的方法来解决物理学中的一大谜团。

 

某种看不见的物质正在影响着恒星和星系的运动，但到目前为止，还没有人能够直接探测到这种物质——所谓的暗物质本身。但有些人希望我们能够利用量子科学不断发展的领域，最终找到它。

 

美国能源部费米国家加速器实验室和芝加哥大学的科学家们展示了一种基于量子技术的新技术，该技术将推动对暗物质的探索，暗物质占宇宙中所有物质的85%。

 

“我们知道，我们周围有大量的物质，它们的组成成分与你我不同，”费米实验室的科学家阿伦·周(Aaron Chou)说，他是发表在《物理评论快报》(Physical Review Letters)上的一篇关于这项新技术论文的合著者。“暗物质的本质是一个非常引人注目的谜题，我们很多人都在试图解决它。”

 

特别是，科学家们假设有两种亚原子粒子是暗物质出现的可能方式。协作开发了基于量子计算位新设备,可以检测弱信号发出的这两种粒子,如果它们存在:一个叫“轴子”和另一个称为“隐藏的光子,一个粒子,可能与光子相互作用粒子的可见的宇宙。

 

“暗物质的本质是一个非常引人注目的谜题，我们很多人都在试图解决它。”天富登录现场

 

- Aaron Chou，费米实验室科学家

 

由芝加哥大学费米实验室团队演示的这项技术可以使暗物质的搜索速度比以前的方法快1000倍。

 

用光来探测暗粒子

 

自从轴子在30多年前被提出以来，物理学家在探测轴子方面几乎没有什么进展。

 

Chou说:“使用传统技术进行的实验远远不能满足我们探测高质量轴子暗物质所需的条件。”“噪音太大了。”

 

但在过去的十年里，科学家们越来越善于利用量子力学的特性来创造新技术。量子力学是控制宇宙中最小层次粒子奇怪行为的定律。其中一个成就就是“量子位元”，即量子计算位元。即使是最微小的扰动，它们也会异常敏感——这正是我们想要的探测器。

 

在该团队的新技术中，量子位被设计用来探测暗物质粒子与电磁场相互作用时产生的光子。一种被称为超导腔的特殊装置提供了一种方法来积累和存储信号光子。量子比特插入到腔中，然后测量光子。

 

这项技术将有利于寻找任何暗物质候选者，因为当看不见的粒子转化为光子时，它们就可以被探测到。

 

超导微波空腔暗物质信号

 

图中的蓝色柱体代表了一个超导微波腔，用来积累暗物质信号。紫色的是用来测量空腔状态的量子位，0或1。这个值是指光子数。如果暗物质成功地在空腔中沉积了一个光子，输出量将为1。光子的沉积不会测量到0。图片由阿卡什·迪克西特提供

 

科学家们说，这项技术灵敏度的关键在于它能够消除假阳性读数。传统技术会破坏它们所测量的光子。但是新技术可以探测光子而不破坏它。在同一光子500微秒的生命周期内对其进行重复测量，可以防止错误读取。

 

“用量子位对光子进行一次测量大约需要10微秒，所以我们可以在同一光子的寿命内对其进行大约50次重复测量，”芝加哥大学物理学博士兼合著者阿卡什·迪克西说。

 

芝加哥大学费米实验室团队的技术也减少了隐藏信号的噪音。

 

周永明说:“这是一种更聪明、更廉价的方法，可以同样大幅提高灵敏度。”“现在，静态噪声的水平已经降低了很多，你有机会在你的测量中看到非常小的波动，这是由于非常非常小的信号。”