前芝加哥大學博士後研究員阿卡殊·迪克西特（Akash Dixit）參與了費米實驗室刺激光子發射的專案。圖片來源：Ryan Postel，費米實驗室
科學家們無法直接觀察暗物質，因此為了「看到」它，他們透過產生可見光子來尋找它與其他物質相互作用的訊號。然而，來自暗物質的訊號非常微弱。如果科學家能夠使粒子探測器更容易接受這些訊號，他們就可以增加發現的可能性並減少到達那裏的時間。一種方法是刺激光子的發射。
美國能源部費米國家加速器實驗室和芝加哥大學的科學家報告說，使用新型量子技術可以將暗物質波的訊號增強2.78倍。這項技術展示了量子資訊科學的進步如何不僅可以套用於量子計算套用，還可以套用於新的物理學發現。
這一激動人心的結果是由美國能源部的量子資訊科學啟用的發現計劃和Heising-Simons基金會實作的。芝加哥大學研究生Ankur Agrawal在費米實驗室科學家Aaron Chou的指導下，與芝加哥大學David Schuster教授小組的成員合作，為他的博士論文進行了這項研究。研究結果最近發表在 【物理評論快報】（Physical Review Letters） 上。
在這項實驗中，研究人員首先制備了一個處於特殊量子態的微波腔。然後，他們使用超導量子位元或量子位元來提高該腔內的測量靈敏度，以便他們能夠更容易地檢測到任何表明暗物質存在的訊號。
「有兩種方法可以加快實驗速度;你可以收集更多的訊號或減少噪音，「Schuster說。「在這個實驗中，我們使用量子位元來做這兩件事，準備一個刺激光子產生的量子態，然後使用量子位元多次探測光子的確切數量，而不破壞任何光子以消除多余的雜訊。
研究人員使用超導量子位元在所謂的Fock態下制備了微波腔。這些量子福克態具有明確定義的光子數量，福克態越高，暗物質相互作用的可能性就越大。透過以這種方式制備腔體，當暗物質穿過微波腔壁時，這種相互作用將導致暗物質產生的額外光子被泵入腔體或從腔體中移除。多一個或少一個光子的存在表明光子受到暗物質的刺激。
「這個實驗是我們在量子力學課程中學到的關於量子態的第一件事的美麗演示，結果證實了我所學到的，」Agrawal說。
實驗的第二部份涉及以降低雜訊的方式設計量子位元和腔之間的相互作用。在微波頻率下，每個光子都具有微小的能量，這使得它們對周圍環境的雜訊非常敏感。為了盡量減少熱光子對訊號的影響，研究人員用稀釋冰箱冷卻這個腔體，其中溫度是克耳文的百分之一克耳文，比外太空冷100倍。
使用超導量子位元使他們能夠以這樣一種方式設計相互作用，從而將雜訊降低到極低的水平，從而提高靈敏度。
「對於這項技術，我們設計了量子位元 - 光子相互作用，以便光子在測量過程中不會被破壞，」費米實驗室研究團隊的科學家Akash Dixit說。「這使我們能夠多次測量相同的光子，從而減少了雜訊的影響，並增加了我們對這些罕見事件的敏感性。
整體技術就像把孩子推到秋千上。如果孩子沒有擺動，你需要更努力地推動她，讓她動起來;但是，如果秋千已經在擺動，你就不必那麽用力。
「我們所做的是利用我們的微波腔或探測器中的電磁場 - 擺動 - 並讓它開始擺動，這樣它就可以更容易地受到經過的暗物質的推動，」Chou說。「這種受激發射過程實際上正是激光的工作原理。
以前的實驗是從腔內的零場或基態場開始的，相當於靜止不動的擺動。
「科學家們可以使用這種技術來提高靈敏度，以推進他們對暗物質的搜尋，節省時間和資源，並探索基礎科學的其他奧秘，」Agrawal說。
更多資訊： Ankur Agrawal 等人，暗物質波訊號光子的受激發射，【 物理評論快報 】（2024 年）。DOI： 10.1103/PhysRevLett.132.140801
期刊資訊： Physical Review Letters
