前芝加哥大学博士后研究员阿卡什·迪克西特（Akash Dixit）参与了费米实验室刺激光子发射的项目。图片来源：Ryan Postel，费米实验室
科学家们无法直接观察暗物质，因此为了「看到」它，他们通过产生可见光子来寻找它与其他物质相互作用的信号。然而，来自暗物质的信号非常微弱。如果科学家能够使粒子探测器更容易接受这些信号，他们就可以增加发现的可能性并减少到达那里的时间。一种方法是刺激光子的发射。
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报告说，使用新型量子技术可以将暗物质波的信号增强2.78倍。这项技术展示了量子信息科学的进步如何不仅可以应用于量子计算应用，还可以应用于新的物理学发现。
这一激动人心的结果是由美国能源部的量子信息科学启用的发现计划和Heising-Simons基金会实现的。芝加哥大学研究生Ankur Agrawal在费米实验室科学家Aaron Chou的指导下，与芝加哥大学David Schuster教授小组的成员合作，为他的博士论文进行了这项研究。研究结果最近发表在 【物理评论快报】（Physical Review Letters） 上。
在这项实验中，研究人员首先制备了一个处于特殊量子态的微波腔。然后，他们使用超导量子比特或量子比特来提高该腔内的测量灵敏度，以便他们能够更容易地检测到任何表明暗物质存在的信号。
「有两种方法可以加快实验速度;你可以收集更多的信号或减少噪音，「Schuster说。「在这个实验中，我们使用量子比特来做这两件事，准备一个刺激光子产生的量子态，然后使用量子比特多次探测光子的确切数量，而不破坏任何光子以消除多余的噪声。
研究人员使用超导量子比特在所谓的Fock态下制备了微波腔。这些量子福克态具有明确定义的光子数量，福克态越高，暗物质相互作用的可能性就越大。通过以这种方式制备腔体，当暗物质穿过微波腔壁时，这种相互作用将导致暗物质产生的额外光子被泵入腔体或从腔体中移除。多一个或少一个光子的存在表明光子受到暗物质的刺激。
「这个实验是我们在量子力学课程中学到的关于量子态的第一件事的美丽演示，结果证实了我所学到的，」Agrawal说。
实验的第二部分涉及以降低噪声的方式设计量子比特和腔之间的相互作用。在微波频率下，每个光子都具有微小的能量，这使得它们对周围环境的噪声非常敏感。为了尽量减少热光子对信号的影响，研究人员用稀释冰箱冷却这个腔体，其中温度是开尔文的百分之一开尔文，比外太空冷100倍。
使用超导量子比特使他们能够以这样一种方式设计相互作用，从而将噪声降低到极低的水平，从而提高灵敏度。
「对于这项技术，我们设计了量子比特 - 光子相互作用，以便光子在测量过程中不会被破坏，」费米实验室研究团队的科学家Akash Dixit说。「这使我们能够多次测量相同的光子，从而减少了噪声的影响，并增加了我们对这些罕见事件的敏感性。
整体技术就像把孩子推到秋千上。如果孩子没有摆动，你需要更努力地推动她，让她动起来;但是，如果秋千已经在摆动，你就不必那么用力。
「我们所做的是利用我们的微波腔或探测器中的电磁场 - 摆动 - 并让它开始摆动，这样它就可以更容易地受到经过的暗物质的推动，」Chou说。「这种受激发射过程实际上正是激光的工作原理。
以前的实验是从腔内的零场或基态场开始的，相当于静止不动的摆动。
「科学家们可以使用这种技术来提高灵敏度，以推进他们对暗物质的搜索，节省时间和资源，并探索基础科学的其他奥秘，」Agrawal说。
更多信息： Ankur Agrawal 等人，暗物质波信号光子的受激发射，【 物理评论快报 】（2024 年）。DOI： 10.1103/PhysRevLett.132.140801
期刊信息： Physical Review Letters
