用魔法打败魔法！物理学家利用超导量子“捕捉”暗物质

暗物质占宇宙中所有物质的85%，但至今为止人类仍未能直接探测到暗物质。日前，美国能源部费米国家加速器实验室和芝加哥大学的科学家展示了一种基于量子技术的新技术，或许能够打开暗物质检测的大门。

科学家推测有两种亚原子粒子可能是暗物质可能出现的方式。一个称为“轴子”，另一个称为“隐藏光子”。费米实验室与芝加哥大学合作开发了基于量子计算位的新设备，这些设备将能够检测到其中任何一个粒子（如果存在）发出的微弱信号，因为隐藏光子或许会与可见宇宙的光子相互作用。

常规技术下的噪音水平远远无法达到能够检测到更高质量的轴突暗物质所需的条件。但量子比特的高敏感度让它可以对最小的干扰产生反应。这正是高性能探测器所需要的。

在这项新技术中，量子位被设计为检测暗物质粒子与电磁场相互作用时产生的光子。一种称为超导腔的特殊构建的设备提供了一种积累和存储信号光子的方法。将量子比特插入腔中就可以开始进行测量。

该图中的蓝色圆柱体表示用于累积暗物质信号的超导微波腔。紫色是用于测量腔体状态的量子位（0或1）。该值表示计数的光子数。如果暗物质已成功将光子沉积在腔中，则输出将为1。没有光子沉积将为0。图片来源：Akash Dixit提供

超导微波腔对于这项新技术至关重要。实验中使用的腔体是由纯度为99.9999％的铝制成。在极低的温度下，铝变得超导，这能延长量子比特的寿命。腔体容纳光子的时间越长，可进行测量的时间就越长。

这项技术灵敏的关键在于其消除假阳性读数的能力。传统技术破坏了它们测量的光子。但是新技术可以探测光子而不破坏它。在其500微秒的使用寿命中重复测量同一光子，可以保证不会出现错误的读数。

该技术对粒子的灵敏度是传统量子测量基准的量子极限的36倍。如果存在轴子，则本实验将检测到暗物质相互作用产生的光子的可能性为万分之一。

该技术将有利于寻找任何暗物质候选物，因为当不可见粒子转化为光子时，就可以检测到它们。

“虽然肯定还有路要走，但我们有理由感到乐观，”芝加哥大学物理学副教授，论文作者David Schuster。他的研究小组将把相同的技术应用于量子计算。“我们正在使用量子信息科学来帮助暗物质搜索，但是相同类型的背景光子也是量子计算的潜在误差来源。因此，这项研究的用途超出了基础科学领域。”

参考资料：

https://scitechdaily.com/physicists-build-a-quantum-bit-that-can-search-for-dark-matter/

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