Hampir seabad setelah materi gelap pertama kali diusulkan untuk menjelaskan gerakan gugus galaksi, fisikawan masih tidak tahu terbuat dari apa.
Para peneliti di seluruh dunia telah membangun lusinan detektor dengan harapan menemukan materi gelap. Sebagai mahasiswa pascasarjana, saya membantu merancang dan mengoperasikan salah satu detektor ini, yang diberi nama HAYSTAC (Haloscope At Yale Sensitive To Axion CDM). Namun, terlepas dari upaya eksperimental selama puluhan tahun, para ilmuwan belum dapat mengidentifikasi partikel materi gelap.
Sekarang, pencarian materi gelap telah menerima bantuan yang tak terduga dari teknologi yang digunakan dalam penelitian komputasi kuantum. Dalam makalah baru yang diterbitkan di jurnal Nature, rekan saya di tim HAYSTAC dan saya menjelaskan bagaimana kami menggunakan sedikit tipuan kuantum untuk menggandakan kecepatan detektor kami dapat mencari materi gelap. Hasil kami menambahkan peningkatan kecepatan yang sangat dibutuhkan untuk berburu partikel misterius ini.
Memindai Sinyal Materi Gelap
Ada bukti kuat dari astrofisika dan kosmologi bahwa zat tak dikenal yang disebut materi gelap merupakan lebih dari 80 persen materi di alam semesta. Fisikawan teoretis telah mengajukan lusinan partikel fundamental baru yang dapat menjelaskan materi gelap. Tetapi untuk menentukan mana - jika ada - dari teori-teori ini yang benar, para peneliti perlu membangun detektor yang berbeda untuk menguji masing-masing.
Salah satu teori terkemuka menyatakan bahwa materi gelap terbuat dari partikel hipotetis yang disebut sumbu yang secara kolektif berperilaku seperti gelombang tak terlihat yang berosilasi pada frekuensi yang sangat spesifik melalui kosmos. Detektor sumbu - termasuk HAYSTAC - bekerja seperti penerima radio, tetapi alih-alih mengubah gelombang radio menjadi gelombang suara, mereka bertujuan untuk mengubah gelombang sumbu menjadi gelombang elektromagnetik. Secara khusus, detektor axion mengukur dua besaran yang disebut kuadrat medan elektromagnetik . Kuadrat ini adalah dua jenis osilasi berbeda dalam gelombang elektromagnetik yang akan dihasilkan jika ada sumbu.
Tantangan utama dalam pencarian sumbu adalah tidak ada yang mengetahui frekuensi gelombang sumbu hipotetis. Bayangkan Anda berada di kota asing yang mencari stasiun radio tertentu dengan menelusuri frekuensi FM satu per satu. Pemburu sumbu melakukan banyak hal yang sama: Mereka menyetel detektor mereka pada berbagai frekuensi dalam langkah-langkah terpisah. Setiap langkah hanya dapat mencakup rentang yang sangat kecil dari frekuensi sumbu yang mungkin. Kisaran kecil ini adalah bandwidth detektor.
Tuning radio biasanya melibatkan jeda selama beberapa detik pada setiap langkah untuk melihat apakah Anda telah menemukan stasiun yang Anda cari. Itu lebih sulit jika sinyalnya lemah dan ada banyak statis. Sinyal axion - bahkan di detektor yang paling sensitif sekalipun - akan sangat redup dibandingkan dengan statis dari fluktuasi elektromagnetik acak, yang oleh fisikawan disebut noise. Semakin banyak noise, semakin lama detektor harus duduk di setiap langkah penyetelan untuk mendengarkan sinyal axion.
Sayangnya, para peneliti tidak dapat mengandalkan mengambil siaran axion setelah beberapa lusin putaran tombol radio. Sebuah radio FM menyetel dari hanya 88 hingga 108 megahertz (1 megahertz sama dengan 1 juta hertz). Frekuensi axion, sebaliknya, bisa berkisar antara 300 hertz dan 300 milyar hertz. Dengan kecepatan yang dilakukan detektor saat ini, menemukan sumbu atau membuktikan bahwa ia tidak ada bisa memakan waktu lebih dari 10.000 tahun .
Meremas Kebisingan Kuantum
Di tim HAYSTAC, kami tidak memiliki kesabaran seperti itu. Jadi pada tahun 2012 kami bersiap untuk mempercepat pencarian axion dengan melakukan segala kemungkinan untuk mengurangi kebisingan. Tetapi pada tahun 2017 kami menemukan diri kami berlari melawan batas kebisingan minimum yang mendasar karena hukum fisika kuantum yang dikenal sebagai prinsip ketidakpastian .
Prinsip ketidakpastian menyatakan bahwa tidak mungkin mengetahui nilai pasti dari besaran fisik tertentu secara bersamaan - misalnya, Anda tidak dapat mengetahui posisi dan momentum sebuah partikel pada saat yang bersamaan. Ingatlah bahwa detektor sumbu mencari sumbu dengan mengukur dua kuadrat - jenis osilasi medan elektromagnetik tertentu. Prinsip ketidakpastian melarang pengetahuan yang tepat tentang kedua kuadrat dengan menambahkan jumlah gangguan minimum ke osilasi kuadrat.
Dalam detektor sumbu konvensional, derau kuantum dari prinsip ketidakpastian mengaburkan kedua kuadrat secara merata. Kebisingan ini tidak dapat dihilangkan, tetapi dengan alat yang tepat dapat dikontrol. Tim kami mencari cara untuk mengacak noise kuantum di detektor HAYSTAC, mengurangi pengaruhnya pada satu kuadrat sekaligus meningkatkan pengaruhnya di kuadrat lainnya. Teknik manipulasi noise ini disebut quantum squeezing .
Dalam upaya yang dipimpin oleh mahasiswa pascasarjana Kelly Backes dan Dan Palken , tim HAYSTAC mengambil tantangan untuk menerapkan pemerasan di detektor kami, menggunakan teknologi sirkuit superkonduktor yang dipinjam dari penelitian komputasi kuantum. Komputer kuantum tujuan umum masih jauh , tetapi makalah baru kami menunjukkan bahwa teknologi pemerasan ini dapat segera mempercepat pencarian materi gelap.
Bandwidth Lebih Besar, Pencarian Lebih Cepat
Tim kami berhasil meredam kebisingan di detektor HAYSTAC. Tapi bagaimana kita menggunakan ini untuk mempercepat pencarian axion?
Pemerasan kuantum tidak mengurangi noise secara seragam di seluruh bandwidth detektor sumbu. Sebaliknya, itu memiliki efek terbesar di tepinya . Bayangkan Anda menyetel radio ke 88,3 megahertz, tetapi stasiun yang Anda inginkan sebenarnya adalah 88,1. Dengan quantum squeezing, Anda akan dapat mendengar lagu favorit Anda diputar satu stasiun jauhnya.
Dalam dunia penyiaran radio, ini akan menjadi resep bencana, karena stasiun yang berbeda akan saling mengganggu. Tetapi dengan hanya satu sinyal materi gelap untuk dicari, bandwidth yang lebih lebar memungkinkan fisikawan untuk mencari lebih cepat dengan mencakup lebih banyak frekuensi sekaligus. Dalam hasil terbaru kami, kami menggunakan squeezing untuk menggandakan bandwidth HAYSTAC , memungkinkan kami mencari axions dua kali lebih cepat dari sebelumnya.
Pemerasan kuantum saja tidak cukup untuk memindai setiap frekuensi sumbu yang mungkin dalam waktu yang wajar. Tetapi menggandakan kecepatan pemindaian adalah langkah besar ke arah yang benar, dan kami yakin peningkatan lebih lanjut pada sistem pemerasan kuantum kami dapat memungkinkan kami memindai 10 kali lebih cepat.
Tidak ada yang tahu apakah sumbu itu ada atau apakah mereka akan memecahkan misteri materi gelap; namun berkat penerapan teknologi kuantum yang tidak terduga ini, kami selangkah lebih dekat untuk menjawab pertanyaan-pertanyaan ini.
Benjamin Brubaker adalah mahasiswa pascadoktoral dalam fisika kuantum di University of Colorado Boulder.
Artikel ini diterbitkan ulang dari The Conversation di bawah lisensi Creative Commons. Anda dapat menemukan artikel aslinya di sini .
