Fyzici vytvářejí kvantový bit, který může hledat temnou hmotu

Qubit (malý obdélník) je umístěn na safírovém substrátu, který sedí na špičce prstu a označuje měřítko. Vědci z Fermilaband University v Chicagu použili podobný qubit k vývoji techniky, která urychluje hledání temné axionové hmoty a skrytých fotonů. Fotografický kredit: Foto Reidar Hahn, Fermilab

Qubits nabízí rychlý a extrémně spolehlivý způsob řešení jedné z velkých hádanek fyziky.

Existuje nějaký druh neviditelného materiálu, který ovlivňuje pohyby hvězd a galaxií, ale zatím nikdo nebyl schopen přímo detekovat samotnou látku – zvanou temnou hmotu. Někteří však doufají, že můžeme proniknout do rostoucí oblasti kvantové vědy, abychom ji konečně našli.

Vědci z Fermiho národní urychlovačové laboratoře ministerstva energetiky a University of Chicago předvedli novou techniku ​​založenou na kvantové technologii, která urychlí hledání temné hmoty, která tvoří 85% veškeré hmoty ve vesmíru.

„Víme, že kolem nás je obrovské množství hmoty, která není vyrobena ze stejného materiálu, ze kterého jsme vy a já,“ řekl vědec z Fermilab Aaron Chou, spoluautor jedné z Dopisy o fyzickém vyšetření k nové technologii. „Povaha temné hmoty je skutečně podmanivou hádankou, kterou se mnozí z nás pokouší vyřešit.“

Zejména existují dva typy subatomárních částic, o kterých vědci věřili, že je možná temná hmota. Spolupráce vyvinula nová zařízení založená na Kvantové výpočty Bity schopné rozpoznat slabé signály vysílané jednou z těchto částic, pokud existují: jedna jako „axion“ a druhá jako „skrytý foton“, částice, která může interagovat s fotony – světelnými částicemi – viditelným vesmírem.

„Povaha temné hmoty je skutečně podmanivou hádankou, kterou se mnozí z nás pokouší vyřešit.“

– – Aaron Chou, vědec z Fermilab

Technika, kterou nyní předvedl tým na univerzitě v Fermilab v Chicagu, by mohla umožnit hledat temnou hmotu 1000krát rychleji než předchozí metody.

Použití světla k detekci tmavých částic

Fyzici udělali malý pokrok v rozpoznávání axií, protože jejich existence byla navržena před více než 30 lety.

„Experimenty s konvenčními technikami nebyly zdaleka takové, jaké musely být, abychom mohli detekovat temnou hmotu s vyšším obsahem axionů,“ řekl Chou. „Hladina hluku je příliš vysoká.“

Během posledního desetiletí však vědci stále více využívali vlastnosti kvantové mechaniky, zákonů, které určují podivné chování částic na nejmenších úrovních vesmíru, k vývoji nových technologií. Jedním z takových činů je „qubit“ nebo kvantový počítačový bit. Mohou být neuvěřitelně citlivé i na ty nejmenší poruchy – přesně to, co byste od detektoru očekávali.

V nové technice týmu jsou vyvíjeny qubity, které zachycují fotony, které by byly produkovány, kdyby částice temné hmoty interagovaly s elektromagnetickým polem. Speciálně konstruované zařízení zvané supravodivá dutina poskytuje prostředky k akumulaci a ukládání signálního fotonu. Qubit vložený do dutiny poté změří foton.

Tato technika bude přínosem při hledání kandidátů na temnou hmotu, protože dokáže detekovat neviditelné částice, které se promění ve fotony.

Supravodivý signál mikrovlnné dutiny pro temnou hmotu

Modrý válec v tomto diagramu představuje supravodivou mikrovlnnou dutinu, která se používá k akumulaci signálu temné hmoty. Fialová je qubit používaný k měření stavu dutiny, buď 0 nebo 1. Hodnota se vztahuje k počtu spočítaných fotonů. Pokud by temná hmota úspěšně uložila foton v dutině, výstup by měřil 1. Žádná depozice fotonu by neměřila 0. Uznání obrázku: s laskavým svolením Akash Dixit

Klíčem k citlivosti této techniky je její schopnost eliminovat falešné poplachy, uvedli vědci. Konvenční techniky ničí fotony, které měří. Nová technologie však může zkoumat foton, aniž by jej zničila. Opakovaná měření stejného fotonu v průběhu jeho životnosti 500 mikrosekund zajišťují pojištění proti nesprávným údajům.

„Měřit foton jednou pomocí qubitu trvá přibližně 10 mikrosekund, takže můžeme provést přibližně 50 opakovaných měření stejného fotonu za celý jeho život,“ uvedl Akash Dixit, doktorand fyziky na University of Chicago and Co. autor.

Technologie týmu týmu Fermilab University v Chicagu také snižuje hluk, který signál skrývá.

„Je to mnohem chytřejší a levnější způsob, jak dosáhnout stejných velkých vylepšení citlivosti,“ řekl Chou. „Nyní byla úroveň statického šumu natolik snížena, že velmi, velmi malý signál vám dává příležitost vidět první malé kolísavé pohyby ve vašich měřeních.“

„Pokud tradiční metoda dokáže vyprodukovat jeden foton šumu při každém měření, pak v našem detektoru získáte jeden foton šumu na každých tisíc provedených měření,“ řekl Dixit.

Dixit a jeho kolegové přizpůsobili svou techniku ​​technice vyvinuté jaderným fyzikem Serge Haroche, který za svou práci v roce 2012 obdržel Nobelovu cenu za fyziku.

Najděte axiony a skryté fotony

Supravodivé mikrovlnné dutiny mají pro novou technologii zásadní význam. Dutina použitá v experimentu sestává z vysoce čistého hliníku (99,9999%). Při extrémně nízkých teplotách se hliník stává supravodivým, což je vlastnost, která prodlužuje životnost kvantových bitů, které jsou svou povahou krátkodobé.

„Výhodou, kterou získáme, je to, že jakmile – nebo temnou hmotu – vložíte foton do dutiny, může foton dlouho držet,“ poznamenal Dixit. „Čím déle dutina drží foton, tím déle musíme měřit.“

„Čím déle dutina drží foton, tím déle musíme měřit.“

– – Doktor UChicago, doktor Akash Dixit

Tato technika je 36krát citlivější na částice než kvantová mez, což je měřítko pro konvenční kvantová měření.

Pokud existují axiony, nabízí současný experiment šanci 1: 10 000 detekovat foton vytvořený interakcí s temnou hmotou.

„Pro další zlepšení naší schopnosti zachytit tak vzácnou událost musí být teplota fotonů snížena,“ řekl David Schuster, docent fyziky na UChicago a spoluautor nového článku. Snížením teploty fotonu se dále zvyšuje citlivost na všechny kandidáty na temnou hmotu, včetně skrytých fotonů.

Fotony v experimentu byly ochlazeny na teplotu přibližně 40 milikelvinů (minus 459,60 stupňů) Fahrenheita), pouze jeden dotek nahoře Absolutní nula. Vědci chtějí jít na tak nízkou provozní teplotu 8 milikelvinů (minus 459,66 stupňů Fahrenheita). V tomto okamžiku by prostředí pro hledání temné hmoty bylo nedotčené a prakticky bez fotonů na pozadí.

„I když je určitě ještě hodně práce, je třeba být optimistický,“ uvedl Schuster, jehož výzkumná skupina použije stejnou technologii na kvantové výpočty. “K nalezení temné hmoty používáme kvantovou informační vědu, ale stejný druh fotonů na pozadí je také potenciálním zdrojem chyb pro kvantové výpočty.” Tento výzkum má tedy výhodu, která jde nad rámec základního výzkumu. “

„I když je určitě ještě hodně práce, je důvod být optimistický.“

– – Doc. Prof.David Schuster

Schuster uvedl, že projekt je dobrým příkladem druhu spolupráce, která má smysl mezi univerzitní laboratoří a národní laboratoří.

„Naše univerzitní laboratoř měla qubitovou technologii, ale z dlouhodobého hlediska jsme nebyli schopni provést temnou hmotu, abychom se prohledali na požadované úrovni,“ řekl. „Partnerství mezi National a Laboratory zde hraje důležitou roli.“

Výplaty za tyto mezioborové úsilí by mohly být obrovské.

„Neexistují způsoby, jak tyto experimenty uskutečnit bez nových technik, které jsme vyvinuli,“ řekl Chou.

Odkaz: „Při hledání temné hmoty se supravodivým qubitem“ Akash V. Dixit, Srivatsan Chakram, Kevin He, Ankur Agrawal, Ravi K. Naik, David I. Schuster a Aaron Chou, 8. dubna 2021, Dopisy o fyzickém vyšetření.
DOI: 10.1103 / PhysRevLett.126.141302

Financování: Nadace Heising-Simons, program QuantISED pro fyziku vysokých energií na katedře energetiky.

Related articles

Comments

LEAVE A REPLY

Please enter your comment!
Please enter your name here

Share article

Latest articles

Houby mohou léčit bakterie a obohatit půdu o živiny

Aeroskulární mykorhizní houby se rozprostírají přes dlouhé vláknité struktury zvané krásně až k zemi. Krásy, menší než lidské vlasy, lze vidět mezi kořeny...

Světlo zapíná barvy a vzory objektů

Nový systém využívá ultrafialové světlo, které se promítá na objekty natřené barvou aktivující světlo, ke změně reflexních vlastností barvy a vytváření obrazů během několika...

Ne! Je pravděpodobnější, že žádosti o půjčku zpracované kolem poledne budou zamítnuty

Úředníci bankovních půjček pravděpodobněji budou schvalovat žádosti o půjčky dříve a později během dne, zatímco „únava z rozhodování“ kolem poledne je spojena s nedodržováním...

Náročné modely před oddělením v Bothnian Bay

19. dubna 2021 Mořský led na severu Baltského moře vykazuje některé přesvědčivé vzory, než se na jaře roztaví a setře. Na rozdíl od mořského ledu, který...

Výjimečná biologická rozmanitost ve 14,7 milionu let starém tropickém deštném pralese a osvětluje vývoj

Ekologická rekonstrukce bioty Zhangpu. Obrazový kredit: NIGPAS Nově objevený miocénní biom osvětluje vývoj deštného pralesa Mezinárodní výzkumná skupina vedená profesorem WANG Bo a profesorem SHI...

Newsletter

Subscribe to stay updated.