没有量子技术,人类可能永远无法找到暗物质
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发布时间：2022-10-28 13:13
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时间：2023-10-08 23:53
近一个世纪前，荷兰天文学家雅各布斯-卡普丁首次提出暗物质的存在。他一直在研究星系中恒星的运动--一个星系可以被粗略地描述为一堆恒星、气体和尘埃围绕着一个共同的中心旋转--并注意到有些地方不对劲。银河系外层的恒星旋转得太快，不符合万有引力定律。卡普特恩的假设是，一些看不见的、巨大的东西可能在银河系内部和周围，使得外层的恒星达到了观察到的速度。
其他有利于暗物质的观察也随之而来，如引力透镜和宇宙微波背景的各向异性。引力透镜是一种现象，在这种现象中，光束会在大质量物体周围弯曲；宇宙微波背景是宇宙的外层，如果没有暗物质，它将是相当均匀的，但在现实中却相当不稳定。
与此同时，不计其数的先驱们已经设计了理论并设计了实验来追踪暗物质。然而，到现在为止，还没有人真正看到暗物质粒子。这就是为什么，即使在今天，高级科学家仍然在进行暗物质的研究。而且，发现暗物质似乎仍有好几个世纪。
然而，随着最近量子计算的进步，暗物质物理学可能会经历一个巨大的推动。寻找两种类型的暗物质--科学家们实际上不知道它们是否都存在，但他们正在努力弄清楚--可能会从量子技术中获益。第一种类型是轴子，它的存在可能会解释为什么如果你翻转一个粒子的电荷和奇偶性，强核力不会改变。另一种类型是暗光子。这些粒子的行为类似于光子，即光的粒子，当然，除了暗光子根本就不是光。
寻找轴子
根据理论，轴子应该以一种特定的频率在空间和时间中摇摆。唯一的问题是，理论家们无法预测这个频率可能是什么。因此，研究人员只能扫描巨大的频率范围，一次一个小波段。就像一个古老的无线电接收器将无线电波转换成声音一样，轴子探测器将轴子波转换成电磁信号。不过，这个过程变得更加复杂，因为轴子同时在两个不同的频率上振荡。你可以想象一下，这看起来有点像一个喝醉酒的人试图从派对上回家。他们可能向右走三步，然后向左走三步，然后再回到右边。这就是一个频率，在 "左-右 "频谱上。因为他们也有大量的打嗝，但是，他们可能在每一个HIC时跳到空中！，每四步发生一次。这是第二个频率，在 "上-下 "频谱上。
Axions可能比喝醉酒的人更复杂一些，但他们也有两个频率，就像那些喝多了酒的聚会者。在数学上，人们可以通过四次加法将这两个频率放在一起。也就是说，人们将第一个频率乘以自己，再加上第二个频率乘以自己，然后取其平方根。在我们醉汉的例子中，第一个频率的三步乘以自己等于九步的平方，第二个频率的四步乘以自己等于十六步的平方，合起来我们可以得到九步的平方加十六步的平方的平方根是五步。这--在我们的例子中，五步--被称为电磁场正交。
现在，通常情况下，人们需要在一个巨大的频率范围内（比方说1到200步）检查一个微小的频率带（在我们的例子中等于1步）。在现实中，这就更难了。轴子的频率可能是在300赫兹和3000亿赫兹之间的任何地方。这是一个需要覆盖的大范围。按照我们目前的方法运作的速度，覆盖这个范围可能需要1万年，因为我们一次只能测试一个小的带宽。这个带宽受到所谓不确定性原理的*。因此，回到我们的聚会的例子，观察者可能自己喝醉了，因此对每个频率的计算错了两步。他们可能会错过两步，并计算出1的平方根加上2的平方，这大概是两步。或者他们可能计算出5的平方根加上7的平方，大约是8步。这就是一个六步的带宽。因此，如果观察者想扫描1到200步的范围，他们将不得不测量33次。不过，带宽越大，他们需要测量频率的次数就越少。
值得庆幸的是，这个带宽可以通过一个叫做量子挤压的过程来扩大。直接从量子计算机中借用超导电路，人们可以重新分配不确定性，使一个频率比另一个频率受到更多的影响。
在我们的例子中，醉酒的观察者可能能够很好地计算出上-下的频率，精确到一个台阶，但他可能会错过左-右的频率三个台阶。因此，他可能会测量0的平方根加1的平方，也就是1步，到6的平方根加5的平方，也就是大约8步。因此，带宽增加了一步，而观察者只需要测量28次而不是33次。
由耶鲁大学、加州大学伯克利分校、劳伦斯伯克利国家实验室和科罗拉多大学博尔德分校的研究人员组成的HAYSTAC合作，正是实现了这种协议。通过量子挤压，他们已经将以前一万年的观察时间缩短了一半。通过进一步的改进，他们相信他们可以把寻找轴子的速度提高到10倍。
在费米实验室，科学家们正在努力加快搜索暗光子的速度。为了进行这种搜索，他们在一个超导微波腔内填充光子，并尽可能地保持另一个空腔。根据理论，这些光子中的一小部分应该自发地变成暗光子。由于暗光子可以穿墙而过（是的，疯狂的东西），其中一些将最终进入科学家们设置的第二个空腔。这些暗光子中的一小部分随后会变回普通光子，然后科学家可以检测到这些光子。
不过，这些光子探测器有两个问题。首先，它们经常返回假阳性。也就是说，它们表示发现了一个光子，但实际上，陷阱里并没有光子！第二，当一个光子进入陷阱时，它就会变成另一个光子。第二，当一个光子进入检测器时，它就消失了。这意味着不可能检查一个阳性结果是假阳性还是真阳性。
量子测量规避了这两个问题。他们保存了光子，这意味着他们可以重复测量，直到光子的自然寿命结束。而通过反复测量，假阳性结果可以被消除。如果那里没有光子，而探测器却显示为阳性，那么在随后的测量中，它显示为阴性的几率就相当高。这是因为当有光子存在时，探测器显示为阳性的几率要高于周围没有光子的情况（应该是这样），所以显示一连串的假阳性是相当不可能的。
此外，费米实验室在建造空腔方面的专业知识通过延长光子的寿命得到了回报。从本质上讲，在低质量的腔体中，光子会迅速消失。然而，在费米实验室的腔体中，它们可以存活很长时间。这种持久性使其更容易反复进行测量。
通过结合腔体和量子测量的专业知识，这项技术的灵敏度是量子极限的36倍，也就是传统量子测量的基准值。如果没有量子技术，探测暗光子甚至可能是不可能的。
搜索正在加快
物理学家已经在暗物质上花费了近一个世纪的时间，没有迹象表明这个谜团会很快被解开。尽管如此，搜索工作正在取得进展。
特别令人兴奋的是，量子技术，无论是量子挤压、量子测量，甚至可能是量子计算，都被应用于这些搜索。在寻找迄今为止最难以捉摸的粒子的过程中，仍处于起步阶段的探测方法正在被部署。为了找到不可见的粒子，科学家们正在使用和开发未来的技术。
暗物质已经有了一个漫长而丰富的 历史 。你可以花半辈子的时间来研究这个问题，从它最初的概念到几十年来未能找到它的实验，都是如此。但是科学家们并不情愿再增加一两章，甚至十章，这可能比之前的更令人兴奋。也许尖端的量子技术将是最终打破谜团的原因。
