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。

(資料圖)

（圖片來源：國家航空和航天局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)過了幾十年的實(shí)驗(yàn)努力，科學(xué)家們?nèi)匀粵]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波。軸子探測(cè)器——包括HAYSTAC——的工作原理類似于無線電接收器，但不是將無線電波轉(zhuǎn)換為聲波，他們的目標(biāo)是將軸子波轉(zhuǎn)換成電磁波。具體來說，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一萬年的時(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，我們沒有那種耐心。所以在2012年，我們開始通過盡一切可能減少噪聲來加快軸子搜索。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。回想一下，軸子探測(cè)器通過測(cè)量?jī)煞N弦來搜索軸子，這兩種弦是特定種類的電磁場(chǎng)振蕩。不確定性原理通過向弦振蕩添加最小量的噪聲來禁止這兩種弦被精確了解。

在傳統(tǒng)的軸子探測(cè)器中，來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，你就能聽到你最喜歡的歌曲。

在無線電廣播的世界里，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)家通過一次覆蓋更多的頻率來更快地搜索。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，我們離回答這些問題又近了一步。

BY: Benjamin Brubaker

FY: Tessa

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