使用量子技术寻找暗物质

几十年来，物理学家一直在寻找暗物质，它不会发光，但似乎构成了宇宙中的绝大多数物质。已经提出了几种理论上的粒子作为暗物质的候选物，包括相互作用弱的大块粒子（称为WIMP）和轴胶。

费米实验室的亚伦·周（Aaron Chou）领导着一个多机构联盟，将量子计量学技术应用于检测轴突暗物质的问题。该项目汇集了费米实验室，美国国家标准与技术研究院，芝加哥大学，科罗拉多大学和耶鲁大学的科学家，最近在两年内通过能源部的量子信息科学促进发现项目获得了210万美元的奖励（ QuantISED）计划，旨在通过基于量子的技术促进科学发展。

如果科学家们成功了，那么这项发现将立即解决几个宇宙学奥秘。

费米实验室的丹尼尔·鲍林（Daniel Bowring）说：“这是第一次有人发现暗物质存在的任何直接证据。”他的这项工作得到了美国能源部科学早期职业研究奖办公室的支持。“目前，我们正在从天体物理学的行为中推断出暗物质的存在。根据这些观察，有很好的证据表明存在暗物质，但还没有人发现粒子。”

轴搜索

找到一个轴心也可以解决粒子物理学中称为强CP问题的差异。粒子和反粒子彼此“对称”：它们在电荷和其他特性方面表现出镜像行为。

强力是自然的四个基本力之一，它遵循CP对称性。但是，至少在物理标准模型中，没有理由这样做。首先提出了轴子以解释其原因。

与其他暗物质搜索相比，找到一个轴心是一项微妙的努力。轴的质量几乎消失了—在电子伏特的百万分之一到千分之一之间。相比之下，WIMP的质量预计将比质量高一万亿到四千万倍之间（十亿电子伏特的范围内），这意味着它们足够重，偶尔会撞到其他原子核而产生信号。原子。为了寻找WIMP，科学家将液态氙（例如，在南达科他州桑福德地下研究设施的LUX-ZEPLIN暗物质实验中）或锗晶体（在明尼苏达州的SuperCDMS Soudan实验中）填充到探测器中，并寻找这种迹象。

鲍灵说：“由于斧头太轻，您不能这样做。” “因此，我们寻找轴心的方式与我们寻找更大质量粒子的方式根本不同。”

当轴心遇到强磁场时，至少在理论上，轴应产生单个微波频率光子，即光的粒子。通过检测该光子，科学家应该能够确认轴突的存在。华盛顿大学的Axion暗物质实验，ADMX和耶鲁的HAYSTAC实验正试图做到这一点。

那些实验使用强超导磁体将轴离子转换成微波腔中的光子。可以将腔调谐到不同的谐振频率，以增强光子场与轴之间的相互作用。微波接收器然后检测相互作用产生的光子信号。信号通过放大器馈送，科学家寻找该放大的信号。

鲍灵说：“但是，放大器的性能存在根本的量子限制。”

光子无处不在，这会引入高度的噪声，必须从微波腔中检测到的信号中滤除该噪声。在较高的谐振频率下，信噪比逐渐变差。

Bowring和Chou都在探索如何使用为量子计算和信息处理开发的技术来解决这个问题。他们的目的不是开发信号并从噪声中分类，而是致力于开发新型的轴检测器，该检测器将非常精确地以量子位对光子进行计数。

量子位优势

在量子计算机中，信息存储在量子位或量子位中。量子位可以由单个亚原子粒子（例如电子或光子）或工程化的超材料（例如超导人工原子）构造而成。计算机的设计利用了粒子的两态量子系统，例如电子的自旋（向上或向下）或光子的极化（垂直或水平）。与经典计算机位只有两个状态（一个或零）之一不同，量子位也可以存在于量子叠加中，这是粒子两个量子状态的加法。这个功能在物理学家刚刚开始探索的量子计算中有无数的潜在应用。

在寻找轴心时，鲍林和周正使用量子位。对于传统的基于天线的检测器而言，要注意到由轴产生的光子，它必须吸收光子，并在此过程中将其破坏。另一方面，量子位可以与光子多次交互，而不会消灭它。因此，基于量子位的探测器将使科学家发现暗物质的机会更高。

Chou说：“我们之所以要使用量子技术，是因为量子计算界已经必须开发出能够操纵单个微波光子的设备。” “我们正在做相同的事情，除了存储在该容器中的单个信息光子不是有人在计算中放入的东西。暗物质放在那里了。”

光反射

使用量子位来检测由轴产生的光子给项目带来了一系列挑战。在许多量子计算机中，量子位存储在由超导材料制成的空腔中。超导体具有高反射率的壁，可有效捕获足够长的光子，以执行光子的计算。但是您不能像Bowring和Chou的实验中所使用的那样，在高功率磁体周围使用超导体。

周超说：“超导体只是被磁铁破坏了。” 目前，他们使用铜作为ersatz反射器。

他说：“但是问题是，在这些频率下，铜将仅以10,000反弹来存储单个光子，而不是从反射镜中反射出十亿反弹。” “因此，在吸收这些光子之前，我们不能将它们保留很长时间。”

这意味着它们不会停留足够长的时间以至不能被接收为信号。因此，研究人员正在开发另一个更好的光子容器。

Chou说：“我们正在尝试用低损耗的晶体制作腔体。”

想想窗玻璃。当光射中时，一些光子会从中反弹，而另一些会通过。在第一块玻璃后面放另一块玻璃。穿过第一个的一些光子会从第二个反射回来，而另一些则会穿过两块玻璃。添加第三层玻璃，第四层，依此类推。

Chou说：“即使每个单独的层本身都不是那么反射，但是所有层的反射之和最终还是给您一个很好的反射。” “我们希望制造一种能长时间捕获光的材料。”

鲍林认为，在寻找暗物质中使用量子计算技术是跨越边界的机会，而边界常常使不同学科区分开来。

他说：“您可能会问，如果费米实验室是一个粒子物理实验室，为什么还要加入量子技术。” “答案至少部分是因为量子技术使我们能够更好地进行粒子物理学。降低这些障碍是有意义的。”