用量子计算机探测暗物质

暗物质约占宇宙物质和能量收支的27%，但科学家对它知之甚少。他们确实知道它很冷，这意味着构成暗物质的粒子运动缓慢。暗物质也很难直接探测到，因为它不与光相互作用。然而，美国能源部费米国家加速器实验室的科学家们找到了一种使用量子计算机寻找暗物质的方法。

费米实验室资深科学家AaronChou致力于通过量子科学探测暗物质。作为美国能源部高能物理办公室QuantISED计划的一部分，他开发了一种使用量子位(量子计算系统的主要组成部分)的方法来检测强磁场下暗物质产生的单个光子。

量子计算机如何探测暗物质

经典计算机使用设置为1或0的二进制位来处理信息。1和0的特定模式使计算机能够执行某些功能和任务。然而，在量子计算中，由于称为叠加的量子力学特性，量子位同时存在于1和0直到它们被读取。这一特性使量子计算机能够高效地执行传统计算机需要花费大量时间才能完成的复杂计算。

“量子位通过操纵信息的单次激发来工作，例如，单光子，”周说。“所以，如果你正在处理像单一激发这样的小能量包，你就更容易受到外部干扰。”

为了让量子比特在这些量子水平上运行，它们必须位于精心控制的环境中，以保护它们免受外界干扰，并使它们始终保持低温。即使是最轻微的干扰也会导致量子计算机中的程序中断。凭借其极高的灵敏度，Chou意识到量子计算机可以提供一种检测暗物质的方法。他认识到其他暗物质探测器需要像量子计算机一样受到保护，进一步巩固了这个想法。

“无论是量子计算机还是暗物质探测器，都需要严密防护，唯一能跳过去的就是暗物质，”Chou说。“因此，如果人们正在构建具有相同要求的量子计算机，我们会问‘为什么不能将它们用作暗物质探测器?’”

哪里最容易出错

当暗物质粒子穿过强磁场时，它们可能会产生光子，Chou和他的团队可以用铝光子腔内的超导量子比特测量这些光子。由于量子位已免受所有其他外部干扰，因此当科学家检测到光子的干扰时，他们可以推断这是暗物质飞过保护层的结果。

“这些干扰表现为你没有将任何信息加载到计算机中的错误，但不知何故信息出现了，就像零从飞过设备的粒子变成了零，”他说。

AkashDixit在使用量子计算机寻找暗物质的团队工作。在这里，Dixit拥有一个包含超导量子位的微波腔。空腔的侧面有孔，就像微波炉门上的屏幕有孔一样;这些孔太小了，微波无法逃逸。图片来源：RyanPostel，费米实验室

到目前为止，Chou和他的团队已经展示了这项技术的工作原理，并且该设备对这些光子非常敏感。与其他传感器相比，他们的方法具有优势，例如能够对同一光子进行多次测量，以确保干扰不仅仅是由另一个侥幸造成的。该设备还具有超低噪声水平，可以提高对暗物质信号的灵敏度。

“我们知道如何从高能物理学界制造这些可调谐盒，并且我们与量子计算人员合作，了解和转让这些量子比特用作传感器的技术，”Chou说。

从这里开始，他们计划开发暗物质探测实验并继续改进设备的设计。

使用蓝宝石腔捕捉暗物质

“这个设备测试盒子里的传感器，盒子里装有单一频率的光子，”Chou说。“下一步是修改这个盒子，把它变成一种无线电接收器，我们可以在其中改变盒子的尺寸。”

通过改变光子腔的尺寸，它将能够感知暗物质产生的不同波长的光子。

“盒子里能存在的波是由盒子的整体尺寸决定的。为了改变我们想要寻找的暗物质的频率和波长，我们实际上必须改变盒子的大小，”说丑。“这就是我们目前正在做的工作;我们已经创建了盒子，我们可以在其中改变盒子不同部分的长度，以便能够调谐到不同频率的暗物质。”

研究人员还在开发由不同材料制成的空腔。当存在从暗物质粒子产生光子所需的磁场时，传统的铝光子腔会失去超导性。

“这些空腔不能生活在强磁场中，”他说。“高磁场破坏了超导性，所以我们用合成蓝宝石制造了一个新的空腔。”

开发这些新的、可调谐的蓝宝石光子腔将使团队更接近运行结合物理学和量子科学方面的暗物质实验。