量子技术如何辅佐科学家解开暗物质之谜，轴子是暗物质颗粒吗，它存在吗？
暗物质可由宇宙中的各种物理线索中推断出来。 （图片来源：美国国度航空和航天局NASA/欧洲航天局ESA/理查德J.Richard（里昂研讨天文中心CRAL）/J.P.Knib（LAM）/波斯特曼Marc Postman（空间望远镜研讨所STScI））
该文章的作者本杰明·布鲁巴科，是科罗拉多大学博尔德分校的量子物理学博士后。 在暗物质初次被提出用于解释星系团运动的近一个世纪后，物理学家依旧不知道它是由什么组成的。 世界各地的研讨人员建造了很多探测器，希望能够发现暗物质。作为一名研讨生，我辅佐设计和操作了其中一个探测器，该探测器被贴切地命名为HAYSTAC(耶鲁轴子冷暗物质灵活光晕仪The Haloscope At Yale Sensitive To Axion Cold Dark Matter)。但固然经过了几十年的实验努力，科学家们依旧没有找到暗物质粒子。 往常，量子计算研讨中运用的技术对暗物质的搜索提供了难以置信的辅佐。在《自然》期刊上发表的一篇新论文中，我和HAYSTAC团队的同事描画了我们是如何运用一点量子技巧，使探测器搜索暗物质的速度加倍。我们的结果为寻觅这种神秘粒子增加了急需的速度提升。 扫描暗物质信号 天体物理学和宇宙学有令人信服的证据表明，一种叫做暗物质的未知物质构成了宇宙中80%以上的物质。理论物理学家提出了很多种能够解释暗物质的新的基本粒子。但为了肯定这些理论中哪一个（假如有的话）是正确的，研讨人员需求建造不同的探测器来测试每一个理论。 一个著名的理论以为，暗物质是由一种称为“轴子”的假想粒子组成的，它们的集体行为就像一种在宇宙中以十分特定的频率振荡的不可见波。轴子探测器——包含HAYSTAC——的工作原理相似于无线电接纳器，但不是将无线电波转换为声波，他们的目的是将轴子波转换成电磁波。细致来说，轴子探测器丈量两个称为电磁场弦（electromagnetic field quadratures）的量。这些弦是电磁波中两种不同的振荡。假如存在轴子，就会产生这种振荡。
HAYSTAC探测器正在寻觅轴子，轴子是可能构成暗物质的假想粒子之一。（图片来源：凯利·巴克斯Kelly Backes，此类答应允许仅以未修正的方式,以任何媒介或格式复制和分发作品资料,版权归属作者,但能够用于商业用处CC BY-ND） 寻觅轴子的主要应战是没有人知道假想轴子波的频率。想象一下，你在一个陌生的城市里，经过一个一个地调频搜索某个特定的电台。轴子猎人也做了同样的事情：他们以互不相连的步骤在普遍的频率范围内调整探测器。每一步只能掩盖很小范围的可能的轴子频率。这个小范围是探测器的带宽。 调谐收音机通常需求在每一次调谐时暂停几秒钟，看看能否找到了要找的电台。假如信号很弱而且有很多静电，那就更难了。轴子信号——即便在最灵活的探测器中——与随机电磁动摇（物理学家称之为噪声）产生的静电相比，也会十分微小。噪声越多，探测器在每个调谐步骤中就必须停留越久，才干监听轴子信号。 不幸的是，研讨人员不能希望在收音机拨盘转动几十圈后就能听到轴子广播。调频收音机的调谐频率仅为88至108兆赫（1兆赫等于100万赫兹）。与之相比，轴子频率可能在300赫兹到3000亿赫兹之间。依照当今探测器的速度，找到轴子或证明轴子不存在可能需求超越一万年的时间。
用于量子计算的特殊超导电路能够辅佐探测器选择可能躲藏轴子信号的噪声。（图片来源：凯利·巴克斯Kelly Backes，此类答应允许仅以未修正的方式,以任何媒介或格式复制和分发作品资料,版权归属作者,但能够用于商业用处CC BY-ND） 紧缩量子噪声 在HAYSTAC团队中，我们没有那种耐烦。所以在2012年，我们开端经过尽一切可能减少噪声来加快轴子搜索。但到了2017年，由于被称为不肯定性原理的量子物理学定律，我们发现自己遇到了一个基本的最小噪声限值。
不肯定性原理指出，不可能同时知道某些物理量的精确值——例如，你不能同时知道粒子的位置和动量。回想一下，轴子探测器经过丈量两种弦来搜索轴子，这两种弦是特定种类的电磁场振荡。不肯定性原理经过向弦振荡添加最小量的噪声来遏止这两种弦被精确了解。 在传统的轴子探测器中，来自不肯定性原理的量子噪声使两种弦都变得同样含糊。这种噪声无法被消弭，但运用正确的工具就能够被控制。我们的团队找到了一种措施，在HAYSTAC探测器中绕过量子噪声，减少其对一种弦的影响，同时增加其对另一种弦的影响。这种噪声支配技术被称为量子紧缩。
在研讨生凯利·巴克斯（Kelly Backes）和丹·帕尔肯（Dan Palken）一次尝试的带领下，HAYSTAC团队应用从量子计算研讨中借来的超导电路技术，在我们的探测器中实施紧缩，这是一项应战。通用量子计算机还有很长的路要走，但我们的新论文表明，这种紧缩技术能够立刻进步对暗物质的搜索速度。
低温冷却有助于降低噪声，但经过紧缩量子噪声，HAYSTAC探测器能够更快地搜索轴子信号。（图片来源：凯利·巴克斯Kelly Backes，此类答应允许仅以未修正的方式,以任何媒介或格式复制和分发作品资料,版权归属作者,但能够用于商业用处CC BY-ND） 更大的带宽，更快的搜索 我们的团队胜利地紧缩了HAYSTAC探测器中的噪声。但我们是如何应用这一点来进步轴子搜索速度的呢？
量子紧缩不能平均地减少轴子探测器带宽上的噪声。相反，它在边沿处具有最大的效果。想象一下，你把你的收音机调到88.3兆赫，但你想要的电台实践上是88.1兆赫。有了量子紧缩，只需一台之遥，你就能听到你最喜欢的歌曲。 在无线电广播的世界里，这将招致灾难，由于不同的电台会相互干扰。但由于只需一个暗物质信号能够寻觅，更宽的带宽允许物理学家经过一次掩盖更多的频率来更快地搜索。在我们的最新结果中，我们运用紧缩的措施将HAYSTAC的带宽增加了一倍，使我们能够以两倍于以前的速度搜索轴子。
仅仅是量子紧缩缺乏以在合理的时间内扫描一切可能的轴子频率。但将扫描速度进步一倍是朝着正确方向迈出的一大步，我们置信进一步改进我们的量子紧缩系统可能会使我们的扫描速度进步10倍。 没有人知道轴子能否存在，也不知道轴子能否解开暗物质的谜团；但由于量子技术的意外应用，我们离回答这些问题又近了一步。 BY: Benjamin Brubaker 来自：天文在线 |
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