量子技術加速了對暗物質的搜尋
量子技術如何幫助科學家解開暗物質之謎，軸子是暗物質顆粒嗎，它存在嗎？
暗物質可由宇宙中的各種物理線索中推斷出來。
（圖片來源：美國國家航空和航天局NASA/歐洲航天局ESA/里察J。Richard（裏昂研究天文中心CRAL）/J。P。Knib（LAM）/波斯特曼Marc Postman（空間望遠鏡研究所STScI））
該文章的作者本傑明·布魯巴科，是科羅拉多大學保特分校的量子物理學博士後。
在暗物質首次被提出用於解釋星系團運動的近一個世紀後，物理學家仍然不知道它是由什麽組成的。
世界各地的研究人員建造了很多探測器，希望能夠發現暗物質。作為一名研究生，我幫助設計和操作了其中一個探測器，該探測器被貼切地命名為HAYSTAC（耶魯軸子冷暗物質靈敏光暈儀TheHaloscope At Yale Sensitive To Axion Cold Dark Matter）。但盡管經過了幾十年的實驗努力，科學家們仍然沒有找到暗物質體子。
現在，量子計算研究中使用的技術對暗物質的搜尋提供了難以相信的幫助。在【自然】期刊上發表的一篇新論文中，我和HAYSTAC團隊的同事描述了我們是如何使用一點量子技巧，使探測器搜尋暗物質的速度加倍。我們的結果為尋找這種神秘粒子增加了急需的速度提升。
掃描暗物質訊號
天體物理學和宇宙學有令人信服的證據表明，一種叫做暗物質的未知物質構成了宇宙中80％以上的物質。理論物理學家提出了很多種可以解釋暗物質的新的基本粒子。但為了確定這些理論中哪一個（如果有的話）是正確的，研究人員需要建造不同的探測器來測試每一個理論。
一個著名的理論認為，暗物質是由一種稱為「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。軸子探測器——包括HAYSTAC——的工作原理類似於無線電接收器，但不是將無線電波轉換為聲波，他們的目標是將軸子波轉換成電磁波。具體來說，軸子探測器測量兩個稱為電磁場弦（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，就會產生這種振蕩。
HAYSTAC探測器正在尋找軸子，軸子是可能構成暗物質的假想粒子之一。（圖片來源：凱利·巴克斯Kelly Backes，此類特許允許僅以未修改的形式，以任何媒介或格式復制和分發作品材料，版權歸屬作者，但可以用於商業用途CC BY-ND）
尋找軸子的主要挑戰是沒有人知道假想軸子波的頻率。想象一下，你在一個陌生的城市裏，透過一個一個地調頻搜尋某個特定的電台。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範圍內調整探測器。每一步只能覆蓋很小範圍的可能的軸子頻率。這個小範圍是探測器的頻寬。
調諧收音機通常需要在每一次調諧時暫停幾秒鐘，看看是否找到了要找的電台。如果訊號很弱而且有很多靜電，那就更難了。軸子訊號——即使在最靈敏的探測器中——與隨機電磁波動（物理學家稱之為雜訊）產生的靜電相比，也會非常微弱。雜訊越多，探測器在每個調諧步驟中就必須停留越久，才能監聽軸子訊號。
不幸的是，研究人員不能指望在收音機撥盤轉動幾十圈後就能聽到軸子廣播。調頻收音機的調諧頻率僅為88至108兆赫（1兆赫等於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。按照當今探測器的速度，找到軸子或證明軸子不存在可能需要超過一萬年的時間。
用於量子計算的特殊超導電路可以幫助探測器篩選可能隱藏軸子訊號的雜訊。（圖片來源：凱利·巴克斯Kelly Backes，此類特許允許僅以未修改的形式，以任何媒介或格式復制和分發作品材料，版權歸屬作者，但可以用於商業用途CC BY-ND）
壓縮量子雜訊
在HAYSTAC團隊中，我們沒有那種耐心。所以在2012年，我們開始透過盡一切可能減少雜訊來加快軸子搜尋。但到了2017年，由於被稱為不確定性原理的量子物理學定律，我們發現自己遇到了一個基本的最小雜訊限值。
不確定性原理指出，不可能同時知道某些物理量的精確值——例如，你不能同時知道粒子的位置和動量。回想一下，軸子探測器透過測量兩種弦來搜尋軸子，這兩種弦是特定種類的電磁場振蕩。不確定性原理透過向弦振蕩添加最小量的雜訊來禁止這兩種弦被精確了解。
在傳統的軸子探測器中，來自不確定性原理的量子雜訊使兩種弦都變得同樣模糊。這種雜訊無法被消除，但使用正確的工具就可以被控制。我們的團隊找到了一種方法，在HAYSTAC探測器中繞過量子雜訊，減少其對一種弦的影響，同時增加其對另一種弦的影響。這種雜訊操縱技術被稱為量子壓縮。
在研究生凱利·巴克斯（Kelly Backes）和丹·帕爾肯（Dan Palken）一次嘗試的帶領下，HAYSTAC團隊利用從量子計算研究中借來的超導電路技術，在我們的探測器中實施壓縮，這是一項挑戰。通用量子電腦還有很長的路要走，但我們的新論文表明，這種壓縮技術可以立即提高對暗物質的搜尋速度。
低溫冷卻有助於降低雜訊，但透過壓縮量子雜訊，HAYSTAC探測器可以更快地搜尋軸子訊號。（圖片來源：凱利·巴克斯Kelly Backes，此類特許允許僅以未修改的形式，以任何媒介或格式復制和分發作品材料，版權歸屬作者，但可以用於商業用途CC BY-ND）
更大的頻寬，更快的搜尋
我們的團隊成功地壓縮了HAYSTAC探測器中的雜訊。但我們是如何利用這一點來提高軸子搜尋速度的呢？
量子壓縮不能均勻地減少軸子探測器頻寬上的雜訊。相反，它在邊緣處具有最大的效果。想象一下，你把你的收音機調到88。3兆赫，但你想要的電台實際上是88。1兆赫。有了量子壓縮，只需一台之遙，你就能聽到你最喜歡的歌曲。
在無線電廣播的世界裏，這將導致災難，因為不同的電台會相互幹擾。但由於只有一個暗物質訊號可以尋找，更寬的頻寬允許物理學家透過一次覆蓋更多的頻率來更快地搜尋。在我們的最新結果中，我們使用壓縮的方法將HAYSTAC的頻寬增加了一倍，使我們能夠以兩倍於以前的速度搜尋軸子。
僅僅是量子壓縮不足以在合理的時間內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，我們相信進一步改進我們的量子壓縮系統可能會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的謎團；但由於量子技術的意外套用，我們離回答這些問題又近了一步。
BY: Benjamin Brubaker
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