物理学家建立了一个可以用于搜索暗物质的量子比特

据外媒报道，某种看不见的物质--即暗物质--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。不过有些人希望能通过对量子科学不断发展的利用来找到它们。近日，来自美能源部费米国家加速器实验室和芝加哥大学的科学家们就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。

据悉，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，它们的组成成分跟你我不同，”费米实验室的科学家Aaron Chou说道，同时他也是发表在《Physical Review Letters》上的有关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--“轴子”和“隐藏光子”是暗物质出现的可能方式。

据了解，由芝加哥大学费米实验室团队演示的这项技术可以让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指出：“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。噪音水平太高了。”

但在过去的十年时间里，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。其中一个成就是“量子比特元”，即量子计算位元。即使是最微小的扰动，它们也会异常敏感--而这正是人们想要的探测器。

在该团队的新技术中，量子比特被设计用来探测暗物质粒子跟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。量子比特被插入到腔中，然后开始测量光子。

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。

科学家们表示，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。

“由于用量子比特对光子进行一次测量大概需要10微秒，所以我们可以在同一光子的寿命内对其进行约50次重复测量，”芝加哥大学物理学博士兼该项研究的论文合著者Akash Dixit说道。

芝加哥大学费米实验室团队的技术还减少了隐藏信号的噪音。

Chou说道：“这是一种更聪明、更廉价的方法，它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。”

“传统的方法每次测量都会产生一个噪声光子，而我们的探测器每一千次测量才会产生一个噪声光子，”Dixit指出。

Dixit和他的同事们借鉴了原子物理学家塞尔日·阿罗什(Serge Haroche)的技术，阿罗什则因这一成就获得了2012年诺贝尔物理学奖。

寻找轴子和隐藏光子

超导微波腔是这项新技术的关键。实验中使用的空腔是由高纯度的--99.9999%--铝制成。在极低的温度下，铝变得具有超导性，这一特性延长了量子比特的寿命，而量子比特的寿命本质上是短暂的。

Dixit注意道：“我们得到的好处是，一旦你--或者暗物质--把一个光子放入空腔中，它就能够长时间保持光子。光腔容纳光子的时间越长，我们进行测量的时间就越长。”

这项技术对粒子的灵敏度是传统量子测量基准的量子极限的36倍。

如果轴子存在，那么目前的实验就提供了万分之一的机会来探测暗物质相互作用产生的光子。

“为了进一步提高我们感知这种罕见事件的能力，光子的温度需要降低，”芝加哥大学物理学副教授、这篇新论文的合著者David Schuster表示。降低光子温度将进一步提高对所有暗物质候选者的灵敏度，包括隐藏光子。

据了解，实验中的光子被冷却到约40毫尔文(millikelvins)的温度，略高于绝对零度。研究人员想把温度降低到8毫尔文。在这一点上，寻找暗物质的环境将会变得一尘不染，实际上此时不再有背景光子。

“虽然还有很长的路要走，但我们有理由乐观，”Schuster说道，“我们正在使用量子信息科学来帮助暗物质搜索，但同样的背景光子也是量子计算的潜在误差源。所以这项研究的用途超出了基础科学。”

Schuster指出，这个项目为大学实验室和国家实验室之间的合作提供了一个很好的例子。“我们大学的实验室有量子比特技术，但从长远来看，我们无法真正在所需的水平上进行任何类型的暗物质搜索。这就是国家实验室合作关系发挥重要作用的地方。”

跨学科努力的回报可能是巨大的。“没有我们开发的新技术，就没有办法做这些实验，”Chou说道。