寻找暗物质受到量子科技

有令人信服的证据天体物理学和宇宙学的一个未知的物质称为暗物质是宇宙中80%以上的物质。理论物理学家提出了许多新的基本粒子这或许可以解释暗物质。但是,以确定哪些——如果有的话——这些理论是正确的,研究人员需要建立不同的探测器测试每一个。

一个著名理论提出,暗物质是尚未做的假想的粒子被称为就可以集体就像一个无形的波通过宇宙一个特定频率的振荡。Axion探测器——包括HAYSTAC——工作像无线电接收器,而是将无线电波转换成声波,他们的目标是axion波转换成电磁波。具体来说,axion探测器测量两个量电磁场交。这些正交两种截然不同的振荡产生的电磁波,如果就可以存在。

就可以搜索的主要挑战是,没有人知道假设axion波的频率。想象你在一个陌生的城市寻找一个特定的电台工作你的方式通过一次调频波段的频率。Axion猎人做同样的事情:他们调整探测器在一个广泛的频率在离散步骤。每一步只能覆盖一个很小的可能的轴子的频率范围。这个小范围是探测器的带宽。

调谐收音机通常涉及停顿几秒后每一步,看看你找到车站你正在寻找。困难如果信号弱,有很多静态的。一个轴子信号——即使在最敏感的探测器将非常微弱而静态随机电磁波动,物理学家称之为噪声。噪音越多,时间越长检测器必须坐在每个调优步骤监听一个轴子信号。

不幸的是,研究人员不能指望捡轴子转几十圈后广播电台拨号。一个调频收音机音乐从只有88到108兆赫(1兆赫是100万赫兹)。相比之下,axion频率300赫兹到3000亿赫兹。速度今天的探测器会,发现轴子或证明它不存在可以吗超过10000年。

HAYSTAC团队,我们没有这样的耐心。所以在2012年我们加快axion搜索通过一切可能减少噪音。但到2017年,我们发现自己遭遇基本的最低噪音限制由于量子物理学定律称为不确定性原理。

不确定性原理的状态是不可能知道的确切值同时某些物理量——例如,你不可能知道一个粒子的位置和动量在同一时间。回想一下,axion探测器寻找轴子通过测量两个正交——这些特定类型的电磁场的振荡。两个正交的不确定性原理禁止精确的知识通过添加一个最少的正交振动噪声。

在传统axion探测器,不确定性原理的量子噪声掩盖了两正交一视同仁。这噪音不能被消除,但正确的工具它可以控制。我们的团队工作办法洗牌HAYSTAC探测器的量子噪声,减少其影响一个正交而增加其效果。这种噪声处理技术量子挤压。

由研究生凯利回来和丹Palken,HAYSTAC团队实现压缩的挑战在我们的探测器,使用超导电路技术借鉴量子计算研究。通用量子计算机仍很长的路要走,但我们的新论文显示,这种压缩技术可以立即18新利最新登入加快寻找暗物质。

我们的团队成功地挤压HAYSTAC探测器的噪声。但是我们18新利最新登入是怎么使用这个加快axion搜索?

量子压缩不减少噪声均匀axion探测器的带宽。相反,它有最大效应的边缘。想象你你的收音机调到88.3兆赫,但车站你实际上想要的是88.1。与量子挤压,你能够听到你最喜欢的歌玩一个站。

在无线电广播的世界这是一个灾难,因为不同的电台会互相干扰。但只有一个暗物质信号来寻找,一个更广泛的带宽允许物理学家搜索更快通过覆盖更多的频率。在我们的最新结果我们使用挤压HAYSTAC带宽的两倍,让我们来搜索就可以我们可以两倍。

量子压缩单独并不足以扫描每一个可能的轴子频率在合理的时间。但扫描率翻倍是朝着正确方向迈出的一大步,我们相信进一步改进我们的量子压缩系统可能使我们能够扫描快10倍。

没人知道就可以存在或者他们是否会解决暗物质的神秘;但由于量子技术的这个意想不到的应用程序,我们回答这些问题更近一步。

本杰明·布鲁巴克是一个博士后在博尔德的科罗拉多大学的量子物理学。

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