▼
關注影片號，發現更多精彩
某種看不見的物質——即暗物質——正在影響著恆星和星系的運動，但到目前為止，還沒有人能夠直接探測到這種物質。不過有些人希望能透過對量子科學不斷髮展的利用來找到它們。近日，來自美能源部費米國家加速器實驗室和芝加哥大學的科學家們就展示了一種基於量子技術的新技術，該技術將推動對暗物質的探索。
據悉，暗物質佔宇宙中所有物質的85%。
“我們知道，我們周圍有大量的物質，它們的組成成分跟你我不同，”費米實驗室的科學家Aaron Chou說道，同時他也是發表在《Physical Review Letters》上的有關這項新技術論文的合著者。“暗物質的本質是一個非常引人注目的謎題，我們很多人都在試圖解決它。”特別是科學家們假設有兩種亞原子粒子——“軸子”和“隱藏光子”是暗物質出現的可能方式。
據瞭解，由芝加哥大學費米實驗室團隊演示的這項技術可以讓暗物質的搜尋速度比以前的方法快1000倍。
用光來探測暗粒子
自從軸子在30多年前被提出以來，物理學家在探測軸子方面幾乎沒有什麼進展。
Chou指出：“使用傳統技術進行的實驗遠遠不能滿足我們探測高質量軸子暗物質所需的條件。噪音水平太高了。”
但在過去的十年時間裡，科學家們越來越善於利用量子力學的特性來創造新技術。量子力學是控制宇宙中最小層次粒子奇怪行為的定律。其中一個成就是“量子位元元”，即量子計算位元。即使是最微小的擾動，它們也會異常敏感——而這正是人們想要的探測器。
在該團隊的新技術中，量子位元被設計用來探測暗物質粒子跟電磁場相互作用時產生的光子。一種被稱為超導腔的特殊裝置提供了一種方法來積累和儲存訊號光子。量子位元被插入到腔中，然後開始測量光子。
這項技術將有利於尋找任何暗物質候選者，因為當看不見的粒子轉化為光子時它們就可以被探測到。
科學家們表示，這項技術靈敏度的關鍵在於它能夠消除假陽性讀數。傳統技術會破壞它們所測量的光子。但新技術可以探測光子而不破壞它。在同一光子500微秒的生命週期內對其進行重複測量可以防止錯誤讀取。
“由於用量子位元對光子進行一次測量大概需要10微秒，所以我們可以在同一光子的壽命內對其進行約50次重複測量，”芝加哥大學物理學博士兼該項研究的論文合著者Akash Dixit說道。
芝加哥大學費米實驗室團隊的技術還減少了隱藏訊號的噪音。
Chou說道：“這是一種更聰明、更廉價的方法，它可以同樣大幅提高靈敏度。現在，靜態噪聲的水平已經降低了很多，你有機會在你的測量中看到非常小的波動，這是由於非常非常小的訊號。”
“傳統的方法每次測量都會產生一個噪聲光子，而我們的探測器每一千次測量才會產生一個噪聲光子，”Dixit指出。
Dixit和他的同事們借鑑了原子物理學家塞爾日·阿羅什（Serge Haroche）的技術，阿羅什則因這一成就獲得了2012年諾貝爾物理學獎。
尋找軸子和隱藏光子
超導微波腔是這項新技術的關鍵。實驗中使用的空腔是由高純度的——99。9999%——鋁製成。在極低的溫度下，鋁變得具有超導性，這一特性延長了量子位元的壽命，而量子位元的壽命本質上是短暫的。
Dixit注意道：“我們得到的好處是，一旦你——或者暗物質——把一個光子放入空腔中，它就能夠長時間保持光子。光腔容納光子的時間越長，我們進行測量的時間就越長。”
這項技術對粒子的靈敏度是傳統量子測量基準的量子極限的36倍。
如果軸子存在，那麼目前的實驗就提供了萬分之一的機會來探測暗物質相互作用產生的光子。
“為了進一步提高我們感知這種罕見事件的能力，光子的溫度需要降低，”芝加哥大學物理學副教授、這篇新論文的合著者David Schuster表示。降低光子溫度將進一步提高對所有暗物質候選者的靈敏度，包括隱藏光子。
據瞭解，實驗中的光子被冷卻到約40毫爾文（millikelvins）的溫度，略高於絕對零度。研究人員想把溫度降低到8毫爾文。在這一點上，尋找暗物質的環境將會變得一塵不染，實際上此時不再有背景光子。
“雖然還有很長的路要走，但我們有理由樂觀，”Schuster說道，“我們正在使用量子資訊科學來幫助暗物質搜尋，但同樣的背景光子也是量子計算的潛在誤差源。所以這項研究的用途超出了基礎科學。”
Schuster指出，這個專案為大學實驗室和國家實驗室之間的合作提供了一個很好的例子。“我們大學的實驗室有量子位元技術，但從長遠來看，我們無法真正在所需的水平上進行任何型別的暗物質搜尋。這就是國家實驗室合作關係發揮重要作用的地方。”
跨學科努力的回報可能是巨大的。“沒有我們開發的新技術，就沒有辦法做這些實驗，”Chou說道。
Science影片號
按此關注微信影片號
Science科學
瞭解未知 開啟認知
按此關注中文公眾號
Science科學英語平臺
THE SCIENCE OF EVERYTHING
按此關注英文公眾號
TechEdge
科技 點亮未來
按此關注中文公眾號
◢ 豁然開朗請打賞 ◣
