據(jù)路透社報(bào)導(dǎo)，某種看不見(jiàn)的物質(zhì)--即暗物質(zhì)--正在影響著星體和星體的運(yùn)動(dòng)，但到目前為止，還沒(méi)有人就能直接偵測(cè)到這些物質(zhì)。不過(guò)有些人希望能通過(guò)對(duì)量子科學(xué)不斷發(fā)展的利拿來(lái)找到它們。日前，來(lái)自美能源部費(fèi)米國(guó)家加速器實(shí)驗(yàn)室和紐約學(xué)院的科學(xué)家們就展示了一種基于量子技術(shù)的新技術(shù)，該技術(shù)將促進(jìn)對(duì)暗物質(zhì)的探求。
此外，暗物質(zhì)占宇宙中所有物質(zhì)的85%。
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“我們曉得，我們周圍有大量的物質(zhì)，它們的組成成份跟你我不同，”費(fèi)米實(shí)驗(yàn)室的科學(xué)家AaronChou說(shuō)道量子物理學(xué)家有哪些，同時(shí)他也是發(fā)表在《》上的有關(guān)這項(xiàng)新技術(shù)論文的專著者。“暗物質(zhì)的本質(zhì)是一個(gè)十分引人注目的謎團(tuán)量子物理學(xué)家有哪些，我們好多人都在企圖解決它。”特別是科學(xué)家們假定有兩種亞原子粒子--“軸子”和“隱藏光子”是暗物質(zhì)出現(xiàn)的可能方法。
據(jù)了解，由多倫多學(xué)院費(fèi)米實(shí)驗(yàn)室團(tuán)隊(duì)演示的這項(xiàng)技術(shù)可以讓暗物質(zhì)的搜索速率比先前的方式快1000倍。
用光來(lái)偵測(cè)暗粒子
自從軸子在30多年前被提出以來(lái)，數(shù)學(xué)學(xué)家在偵測(cè)軸子方面幾乎沒(méi)有哪些進(jìn)展。
Chou強(qiáng)調(diào)：“使用傳統(tǒng)技術(shù)進(jìn)行的實(shí)驗(yàn)遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足我們偵測(cè)高質(zhì)量軸子暗物質(zhì)所需的條件。噪聲水平太高了。”
但在過(guò)去的六年時(shí)間里，科學(xué)家們?cè)絹?lái)越擅于借助量子力學(xué)的特點(diǎn)來(lái)創(chuàng)造新技術(shù)。量子熱學(xué)是控制宇宙中最小層次粒子奇怪行為的定理。其中一個(gè)成就是“量子比特元”，即量子估算位元。雖然是最微小的擾動(dòng)，它們也會(huì)異常敏感--而這正是人們想要的偵測(cè)器。
在該團(tuán)隊(duì)的新技術(shù)中，量子比特被設(shè)計(jì)拿來(lái)偵測(cè)暗物質(zhì)粒子跟電磁場(chǎng)互相作用時(shí)形成的光子。一種被稱為超導(dǎo)腔的特殊裝置提供了一種方式來(lái)積累和儲(chǔ)存訊號(hào)光子。量子比特被插入到腔中，之后開(kāi)始檢測(cè)光子。
這項(xiàng)技術(shù)將有利于找尋任何暗物質(zhì)候選者，由于當(dāng)看不見(jiàn)的粒子轉(zhuǎn)化為光午時(shí)它們就可以被偵測(cè)到。
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科學(xué)家們表示，這項(xiàng)技術(shù)靈敏度的關(guān)鍵在于它才能清除假陰性讀數(shù)。傳統(tǒng)技術(shù)會(huì)破壞它們所檢測(cè)的光子。但新技術(shù)可以偵測(cè)光子而不破壞它。在同一光子500毫秒的生命周期內(nèi)對(duì)其進(jìn)行重復(fù)檢測(cè)可以避免錯(cuò)誤讀取。
“由于用量子比特對(duì)光子進(jìn)行一次檢測(cè)大約須要10毫秒，所以我們可以在同一光子的壽命內(nèi)對(duì)其進(jìn)行約50次重復(fù)檢測(cè)，”芝加哥學(xué)院化學(xué)學(xué)博士兼該項(xiàng)研究的論文專著者AkashDixit說(shuō)道。
華盛頓學(xué)院費(fèi)米實(shí)驗(yàn)室團(tuán)隊(duì)的技術(shù)還降低了隱藏訊號(hào)的噪聲。
Chou說(shuō)道：“這是一種更聰明、更廉價(jià)的方式，它可以同樣急劇增強(qiáng)靈敏度。如今，靜態(tài)噪音的水平早已增加了好多，你有機(jī)會(huì)在你的檢測(cè)中看見(jiàn)特別小的波動(dòng)，這是因?yàn)槭痔貏e小的訊號(hào)。”
“傳統(tǒng)的方式每次檢測(cè)就會(huì)形成一個(gè)噪音光子，而我們的偵測(cè)器每一千次檢測(cè)才能形成一個(gè)噪音光子，”Dixit強(qiáng)調(diào)。
Dixit和他的朋友們借鑒了原子化學(xué)學(xué)家塞爾日·阿羅什(Serge)的技術(shù)，阿羅什則因這一成就獲得了2012年諾貝爾化學(xué)學(xué)獎(jiǎng)。
找尋軸子和隱藏光子
超導(dǎo)微波腔是這項(xiàng)新技術(shù)的關(guān)鍵。實(shí)驗(yàn)中使用的空腔是由高含量的--99.9999%--鋁質(zhì)成。在極低的氣溫下，鋁顯得具有超導(dǎo)性，這一特點(diǎn)延長(zhǎng)了量子比特的壽命，而量子比特的壽命本質(zhì)上是短暫的。
Dixit注意道：“我們得到的益處是，一旦你--或則暗物質(zhì)--把一個(gè)光子裝入空腔中，它就才能長(zhǎng)時(shí)間保持光子。光腔容納光子的時(shí)間越長(zhǎng)，我們進(jìn)行檢測(cè)的時(shí)間就越長(zhǎng)。”
這項(xiàng)技術(shù)對(duì)粒子的靈敏度是傳統(tǒng)量子檢測(cè)基準(zhǔn)的量子極限的36倍。
假如軸子存在，這么目前的實(shí)驗(yàn)就提供了萬(wàn)分之一的機(jī)會(huì)來(lái)偵測(cè)暗物質(zhì)互相作用形成的光子。
“為了進(jìn)一步提升我們感知這些罕見(jiàn)風(fēng)波的能力，光子的氣溫須要增加，”芝加哥學(xué)院化學(xué)學(xué)副院長(zhǎng)、這篇新論文的專著者David表示。增加光子氣溫將進(jìn)一步提升對(duì)所有暗物質(zhì)候選者的靈敏度，包括隱藏光子。
據(jù)了解，實(shí)驗(yàn)中的光子被冷卻到約40毫爾文()的氣溫，略低于絕對(duì)零度。研究人員想把氣溫增加到8毫爾文。在這一點(diǎn)上，找尋暗物質(zhì)的環(huán)境將會(huì)顯得纖塵不染，實(shí)際上此時(shí)不再有背景光子。
“雖然還有很長(zhǎng)的路要走，但我們有理由豁達(dá)，”說(shuō)道，“我們正在使用量子信息科學(xué)來(lái)幫助暗物質(zhì)搜索，但同樣的背景光子也是量子估算的潛在偏差源。所以這項(xiàng)研究的用途超出了基礎(chǔ)科學(xué)。”
強(qiáng)調(diào)，這個(gè)項(xiàng)目為學(xué)院實(shí)驗(yàn)室和國(guó)家實(shí)驗(yàn)室之間的合作提供了一個(gè)挺好的反例。“我們學(xué)院的實(shí)驗(yàn)室有量子比特技術(shù)，但從長(zhǎng)遠(yuǎn)來(lái)看，我們難以真正在所需的水平上進(jìn)行任何類型的暗物質(zhì)搜索。這就是國(guó)家實(shí)驗(yàn)室合作關(guān)系發(fā)揮重要作用的地方。”
跨學(xué)科努力的回報(bào)可能是巨大的。“沒(méi)有我們開(kāi)發(fā)的新技術(shù)，就沒(méi)有辦法做這種實(shí)驗(yàn)，”Chou說(shuō)道。