Gần một thế kỷ sau khi vật chất tối lần đầu tiên được đề xuất để giải thích chuyển động của các cụm thiên hà, các nhà vật lý vẫn chưa biết nó được làm bằng gì.
Researchers around the world have built dozens of detectors in hopes of discovering dark matter. As a graduate student, I helped design and operate one of these detectors, aptly named HAYSTAC (Haloscope At Yale Sensitive To Axion CDM). But despite decades of experimental effort, scientists have yet to identify the dark matter particle.
Now, the search for dark matter has received an unlikely assist from technology used in quantum computing research. In a new paper published in the journal Nature, my colleagues on the HAYSTAC team and I describe how we used a bit of quantum trickery to double the rate at which our detector can search for dark matter. Our result adds a much-needed speed boost to the hunt for this mysterious particle.
Quét tìm tín hiệu vật chất tối
Có bằng chứng thuyết phục từ vật lý thiên văn và vũ trụ học rằng một chất chưa được biết đến được gọi là vật chất tối chiếm hơn 80% vật chất trong vũ trụ. Các nhà vật lý lý thuyết đã đề xuất hàng chục hạt cơ bản mới có thể giải thích vật chất tối. Nhưng để xác định lý thuyết nào - nếu có - trong số những lý thuyết này là đúng, các nhà nghiên cứu cần phải xây dựng các máy dò khác nhau để kiểm tra từng lý thuyết.
One prominent theory proposes that dark matter is made of as-yet hypothetical particles called axions that collectively behave like an invisible wave oscillating at a very specific frequency through the cosmos. Axion detectors — including HAYSTAC — work something like radio receivers, but instead of converting radio waves to sound waves, they aim to convert axion waves into electromagnetic waves. Specifically, axion detectors measure two quantities called electromagnetic field quadratures. These quadratures are two distinct kinds of oscillation in the electromagnetic wave that would be produced if axions exist.
Thách thức chính trong việc tìm kiếm trục là không ai biết tần số của sóng trục giả định. Hãy tưởng tượng bạn đang ở một thành phố xa lạ đang tìm kiếm một đài phát thanh cụ thể bằng cách thực hiện theo cách của bạn thông qua băng tần FM từng tần số một. Những người thợ săn Axion cũng làm điều tương tự: Họ điều chỉnh máy dò của mình trên một loạt các tần số theo từng bước riêng biệt. Mỗi bước chỉ có thể bao gồm một phạm vi rất nhỏ của tần số trục có thể có. Phạm vi nhỏ này là băng thông của máy dò.
Việc dò đài thường bao gồm việc tạm dừng vài giây ở mỗi bước để xem bạn đã tìm thấy đài mà mình đang tìm chưa. Điều đó khó hơn nếu tín hiệu yếu và có nhiều tĩnh. Tín hiệu trục - ngay cả trong các máy dò nhạy nhất - sẽ rất mờ nhạt so với tín hiệu tĩnh từ các dao động điện từ ngẫu nhiên, mà các nhà vật lý gọi là nhiễu. Càng có nhiều tiếng ồn, máy dò phải ngồi lâu ở mỗi bước điều chỉnh để lắng nghe tín hiệu trục.
Unfortunately, researchers can't count on picking up the axion broadcast after a few dozen turns of the radio dial. An FM radio tunes from only 88 to 108 megahertz (1 megahertz is 1 million hertz). The axion frequency, by contrast, may be anywhere between 300 hertz and 300 billion hertz. At the rate today'sdetectors are going, finding the axion or proving that it doesn't exist could take more than 10,000 years.
Squeezing the Quantum Noise
Về phía đội HAYSTAC, chúng tôi không có đủ kiên nhẫn. Vì vậy, vào năm 2012, chúng tôi đã đặt ra mục tiêu tăng tốc độ tìm kiếm bằng cách làm mọi thứ có thể để giảm tiếng ồn. Nhưng đến năm 2017, chúng tôi nhận thấy mình đang vượt qua giới hạn tiếng ồn tối thiểu cơ bản do một định luật vật lý lượng tử được gọi là nguyên lý bất định .
The uncertainty principle states that it is impossible to know the exact values of certain physical quantities simultaneously — for instance, you can't know both the position and the momentum of a particle at the same time. Recall that axion detectors search for the axion by measuring two quadratures — those specific kinds of electromagnetic field oscillations. The uncertainty principle prohibits precise knowledge of both quadratures by adding a minimum amount of noise to the quadrature oscillations.
Trong các máy dò axion thông thường, nhiễu lượng tử từ nguyên lý bất định che khuất cả hai nhiệt độ như nhau. Tiếng ồn này không thể được loại bỏ, nhưng với các công cụ phù hợp, nó có thể được kiểm soát. Nhóm của chúng tôi đã tìm ra cách để xáo trộn nhiễu lượng tử trong máy dò HAYSTAC, giảm ảnh hưởng của nó trên một phương vuông góc trong khi tăng ảnh hưởng của nó lên phương kia. Kỹ thuật thao tác nhiễu này được gọi là ép lượng tử .
In an effort led by graduate students Kelly Backes and Dan Palken, the HAYSTAC team took on the challenge of implementing squeezing in our detector, using superconducting circuit technology borrowed from quantum computing research. General-purpose quantum computers remain a long way off, but our new paper shows that this squeezing technology can immediately speed up the search for dark matter.
Bigger Bandwidth, Faster Search
Our team succeeded in squeezing the noise in the HAYSTAC detector. But how did we use this to speed up the axion search?
Ép lượng tử không làm giảm tiếng ồn một cách đồng nhất trên băng thông của máy dò trục. Thay vào đó, nó có hiệu ứng lớn nhất ở các cạnh . Hãy tưởng tượng bạn điều chỉnh đài của mình đến 88,3 megahertz, nhưng đài bạn muốn thực sự là 88,1. Với tính năng ép lượng tử, bạn sẽ có thể nghe bài hát yêu thích của mình đang phát cách một trạm.
Trong thế giới phát thanh, đây sẽ là một công thức cho thảm họa, bởi vì các đài khác nhau sẽ gây nhiễu cho nhau. Nhưng chỉ với một tín hiệu vật chất tối để tìm kiếm, băng thông rộng hơn cho phép các nhà vật lý tìm kiếm nhanh hơn bằng cách phủ sóng nhiều tần số hơn cùng một lúc. Trong kết quả mới nhất của chúng tôi, chúng tôi đã sử dụng tính năng ép để tăng gấp đôi băng thông của HAYSTAC , cho phép chúng tôi tìm kiếm các trục nhanh hơn gấp đôi so với trước đây.
Quantum squeezing alone isn't enough to scan through every possible axion frequency in a reasonable time. But doubling the scan rate is a big step in the right direction, and we believe further improvements to our quantum squeezing system may enable us to scan 10 times faster.
Nobody knows whether axions exist or whether they will resolve the mystery of dark matter; but thanks to this unexpected application of quantum technology, we're one step closer to answering these questions.
Benjamin Brubakeris a postdoctoral fellow in quantum physics at the University of Colorado Boulder.
This article is republished from The Conversation under a Creative Commons license. You can find the original article here.
