量子技術(shù)如何幫助科學(xué)家解開暗物質(zhì)之謎，軸子是暗物質(zhì)顆粒嗎，它存在嗎？

暗物質(zhì)可由宇宙中的各種物理線索中推斷出來(lái)。

(資料圖)

（圖片來(lái)源：國(guó)家航空和航天局NASA/航天局ESA/理查德J.Richard（里昂研究天文中心CRAL）/J.P.Knib（LAM）/波斯特曼Marc Postman（空間望遠(yuǎn)鏡研究所STScI））

該文章的作者本杰明·布魯巴科，是科羅拉多大學(xué)博爾德分校的量子物理學(xué)博士后。

在暗物質(zhì)首次被提出用于解釋星系團(tuán)運(yùn)動(dòng)的近一個(gè)世紀(jì)后，物理學(xué)家仍然不知道它是由什么組成的。

世界各地的研究人員建造了很多探測(cè)器，希望能夠發(fā)現(xiàn)暗物質(zhì)。作為一名研究生，我?guī)椭O(shè)計(jì)和操作了其中一個(gè)探測(cè)器，該探測(cè)器被貼切地命名為HAYSTAC(耶魯軸子冷暗物質(zhì)靈敏光暈儀The Haloscope At Yale Sensitive To Axion Cold Dark Matter)。但盡管經(jīng)過(guò)了幾十年的實(shí)驗(yàn)努力，科學(xué)家們?nèi)匀粵](méi)有找到暗物質(zhì)粒子。

現(xiàn)在，量子計(jì)算研究中使用的技術(shù)對(duì)暗物質(zhì)的搜索提供了難以相信的幫助。在《自然》期刊上發(fā)表的一篇新論文中，我和HAYSTAC團(tuán)隊(duì)的同事描述了我們是如何使用一點(diǎn)量子技巧，使探測(cè)器搜索暗物質(zhì)的速度加倍。我們的結(jié)果為尋找這種神秘粒子增加了急需的速度提升。

掃描暗物質(zhì)信號(hào)

天體物理學(xué)和宇宙學(xué)有令人信服的證據(jù)表明，一種叫做暗物質(zhì)的未知物質(zhì)構(gòu)成了宇宙中80%以上的物質(zhì)。理論物理學(xué)家提出了很多種可以解釋暗物質(zhì)的新的基本粒子。但為了確定這些理論中哪一個(gè)（如果有的話）是正確的，研究人員需要建造不同的探測(cè)器來(lái)測(cè)試每一個(gè)理論。

一個(gè)著名的理論認(rèn)為，暗物質(zhì)是由一種稱為“軸子”的假想粒子組成的，它們的集體行為就像一種在宇宙中以非常特定的頻率振蕩的不可見(jiàn)波。軸子探測(cè)器——包括HAYSTAC——的工作原理類似于無(wú)線電接收器，但不是將無(wú)線電波轉(zhuǎn)換為聲波，他們的目標(biāo)是將軸子波轉(zhuǎn)換成電磁波。具體來(lái)說(shuō)，軸子探測(cè)器測(cè)量?jī)蓚€(gè)稱為電磁場(chǎng)弦（electromagnetic field quadratures）的量。這些弦是電磁波中兩種不同的振蕩。如果存在軸子，就會(huì)產(chǎn)生這種振蕩。

HAYSTAC探測(cè)器正在尋找軸子，軸子是可能構(gòu)成暗物質(zhì)的假想粒子之一。（圖片來(lái)源：凱利·巴克斯Kelly Backes，此類許可允許僅以未修改的形式,以任何媒介或格式復(fù)制和分發(fā)作品材料,版權(quán)歸屬作者,但可以用于商業(yè)用途CC BY-ND）

尋找軸子的主要挑戰(zhàn)是沒(méi)有人知道假想軸子波的頻率。想象一下，你在一個(gè)陌生的城市里，通過(guò)一個(gè)一個(gè)地調(diào)頻搜索某個(gè)特定的電臺(tái)。軸子獵人也做了同樣的事情：他們以互不相連的步驟在廣泛的頻率范圍內(nèi)調(diào)整探測(cè)器。每一步只能覆蓋很小范圍的可能的軸子頻率。這個(gè)小范圍是探測(cè)器的帶寬。

調(diào)諧收音機(jī)通常需要在每一次調(diào)諧時(shí)暫停幾秒鐘，看看是否找到了要找的電臺(tái)。如果信號(hào)很弱而且有很多靜電，那就更難了。軸子信號(hào)——即使在最靈敏的探測(cè)器中——與隨機(jī)電磁波動(dòng)（物理學(xué)家稱之為噪聲）產(chǎn)生的靜電相比，也會(huì)非常微弱。噪聲越多，探測(cè)器在每個(gè)調(diào)諧步驟中就必須停留越久，才能監(jiān)聽(tīng)軸子信號(hào)。

不幸的是，研究人員不能指望在收音機(jī)撥盤轉(zhuǎn)動(dòng)幾十圈后就能聽(tīng)到軸子廣播。調(diào)頻收音機(jī)的調(diào)諧頻率僅為88至108兆赫（1兆赫等于100萬(wàn)赫茲）。與之相比，軸子頻率可能在300赫茲到3000億赫茲之間。按照當(dāng)今探測(cè)器的速度，找到軸子或證明軸子不存在可能需要超過(guò)一萬(wàn)年的時(shí)間。

用于量子計(jì)算的特殊超導(dǎo)電路可以幫助探測(cè)器篩選可能隱藏軸子信號(hào)的噪聲。（圖片來(lái)源：凱利·巴克斯Kelly Backes，此類許可允許僅以未修改的形式,以任何媒介或格式復(fù)制和分發(fā)作品材料,版權(quán)歸屬作者,但可以用于商業(yè)用途CC BY-ND）

壓縮量子噪聲

在HAYSTAC團(tuán)隊(duì)中，我們沒(méi)有那種耐心。所以在2012年，我們開始通過(guò)盡一切可能減少噪聲來(lái)加快軸子搜索。但到了2017年，由于被稱為不確定性原理的量子物理學(xué)定律，我們發(fā)現(xiàn)自己遇到了一個(gè)基本的最小噪聲限值。

不確定性原理指出，不可能同時(shí)知道某些物理量的精確值——例如，你不能同時(shí)知道粒子的位置和動(dòng)量?；叵胍幌?，軸子探測(cè)器通過(guò)測(cè)量?jī)煞N弦來(lái)搜索軸子，這兩種弦是特定種類的電磁場(chǎng)振蕩。不確定性原理通過(guò)向弦振蕩添加最小量的噪聲來(lái)禁止這兩種弦被精確了解。

在傳統(tǒng)的軸子探測(cè)器中，來(lái)自不確定性原理的量子噪聲使兩種弦都變得同樣模糊。這種噪聲無(wú)法被消除，但使用正確的工具就可以被控制。我們的團(tuán)隊(duì)找到了一種方法，在HAYSTAC探測(cè)器中繞過(guò)量子噪聲，減少其對(duì)一種弦的影響，同時(shí)增加其對(duì)另一種弦的影響。這種噪聲操縱技術(shù)被稱為量子壓縮。

在研究生凱利·巴克斯（Kelly Backes）和丹·帕爾肯（Dan Palken）一次嘗試的帶領(lǐng)下，HAYSTAC團(tuán)隊(duì)利用從量子計(jì)算研究中借來(lái)的超導(dǎo)電路技術(shù)，在我們的探測(cè)器中實(shí)施壓縮，這是一項(xiàng)挑戰(zhàn)。通用量子計(jì)算機(jī)還有很長(zhǎng)的路要走，但我們的新論文表明，這種壓縮技術(shù)可以立即提高對(duì)暗物質(zhì)的搜索速度。

低溫冷卻有助于降低噪聲，但通過(guò)壓縮量子噪聲，HAYSTAC探測(cè)器可以更快地搜索軸子信號(hào)。（圖片來(lái)源：凱利·巴克斯Kelly Backes，此類許可允許僅以未修改的形式,以任何媒介或格式復(fù)制和分發(fā)作品材料,版權(quán)歸屬作者,但可以用于商業(yè)用途CC BY-ND）

更大的帶寬，更快的搜尋

我們的團(tuán)隊(duì)成功地壓縮了HAYSTAC探測(cè)器中的噪聲。但我們是如何利用這一點(diǎn)來(lái)提高軸子搜索速度的呢？

量子壓縮不能均勻地減少軸子探測(cè)器帶寬上的噪聲。相反，它在邊緣處具有最大的效果。想象一下，你把你的收音機(jī)調(diào)到88.3兆赫，但你想要的電臺(tái)實(shí)際上是88.1兆赫。有了量子壓縮，只需一臺(tái)之遙，你就能聽(tīng)到你最喜歡的歌曲。

在無(wú)線電廣播的世界里，這將導(dǎo)致災(zāi)難，因?yàn)椴煌碾娕_(tái)會(huì)相互干擾。但由于只有一個(gè)暗物質(zhì)信號(hào)可以尋找，更寬的帶寬允許物理學(xué)家通過(guò)一次覆蓋更多的頻率來(lái)更快地搜索。在我們的最新結(jié)果中，我們使用壓縮的方法將HAYSTAC的帶寬增加了一倍，使我們能夠以兩倍于以前的速度搜索軸子。

僅僅是量子壓縮不足以在合理的時(shí)間內(nèi)掃描所有可能的軸子頻率。但將掃描速度提高一倍是朝著正確方向邁出的一大步，我們相信進(jìn)一步改進(jìn)我們的量子壓縮系統(tǒng)可能會(huì)使我們的掃描速度提高10倍。

沒(méi)有人知道軸子是否存在，也不知道軸子能否解開暗物質(zhì)的謎團(tuán)；但由于量子技術(shù)的意外應(yīng)用，我們離回答這些問(wèn)題又近了一步。

BY: Benjamin Brubaker

FY: Tessa

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