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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