暗物质到底由什么构成，是轴子吗？科学家有了新的进展

量子技术如何帮助科学家解开暗物质之谜，轴子是暗物质颗粒吗，它存在吗？

暗物质可由宇宙中的各种物理线索中推断出来。

（图片来源：国家航空和航天局NASA/航天局ESA/理查德J.Richard（里昂研究天文中心CRAL）/J.P.Knib（LAM）/波斯特曼Marc Postman（空间望远镜研究所STScI））

该文章的作者本杰明·布鲁巴科，是科罗拉多大学博尔德分校的量子物理学博士后。

在暗物质首次被提出用于解释星系团运动的近一个世纪后，物理学家仍然不知道它是由什么组成的。

世界各地的研究人员建造了很多探测器，希望能够发现暗物质。作为一名研究生，我帮助设计和操作了其中一个探测器，该探测器被贴切地命名为HAYSTAC(耶鲁轴子冷暗物质灵敏光晕仪The Haloscope At Yale Sensitive To Axion Cold Dark Matter)。但尽管经过了几十年的实验努力，科学家们仍然没有找到暗物质粒子。

现在，量子计算研究中使用的技术对暗物质的搜索提供了难以相信的帮助。在《自然》期刊上发表的一篇新论文中，我和HAYSTAC团队的同事描述了我们是如何使用一点量子技巧，使探测器搜索暗物质的速度加倍。我们的结果为寻找这种神秘粒子增加了急需的速度提升。

扫描暗物质信号

天体物理学和宇宙学有令人信服的证据表明，一种叫做暗物质的未知物质构成了宇宙中80%以上的物质。理论物理学家提出了很多种可以解释暗物质的新的基本粒子。但为了确定这些理论中哪一个（如果有的话）是正确的，研究人员需要建造不同的探测器来测试每一个理论。

一个著名的理论认为，暗物质是由一种称为“轴子”的假想粒子组成的，它们的集体行为就像一种在宇宙中以非常特定的频率振荡的不可见波。轴子探测器——包括HAYSTAC——的工作原理类似于无线电接收器，但不是将无线电波转换为声波，他们的目标是将轴子波转换成电磁波。具体来说，轴子探测器测量两个称为电磁场弦（electromagnetic field quadratures）的量。这些弦是电磁波中两种不同的振荡。如果存在轴子，就会产生这种振荡。

HAYSTAC探测器正在寻找轴子，轴子是可能构成暗物质的假想粒子之一。（图片来源：凯利·巴克斯Kelly Backes，此类许可允许仅以未修改的形式,以任何媒介或格式复制和分发作品材料,版权归属作者,但可以用于商业用途CC BY-ND）

寻找轴子的主要挑战是没有人知道假想轴子波的频率。想象一下，你在一个陌生的城市里，通过一个一个地调频搜索某个特定的电台。轴子猎人也做了同样的事情：他们以互不相连的步骤在广泛的频率范围内调整探测器。每一步只能覆盖很小范围的可能的轴子频率。这个小范围是探测器的带宽。

调谐收音机通常需要在每一次调谐时暂停几秒钟，看看是否找到了要找的电台。如果信号很弱而且有很多静电，那就更难了。轴子信号——即使在最灵敏的探测器中——与随机电磁波动（物理学家称之为噪声）产生的静电相比，也会非常微弱。噪声越多，探测器在每个调谐步骤中就必须停留越久，才能监听轴子信号。

不幸的是，研究人员不能指望在收音机拨盘转动几十圈后就能听到轴子广播。调频收音机的调谐频率仅为88至108兆赫（1兆赫等于100万赫兹）。与之相比，轴子频率可能在300赫兹到3000亿赫兹之间。按照当今探测器的速度，找到轴子或证明轴子不存在可能需要超过一万年的时间。

用于量子计算的特殊超导电路可以帮助探测器筛选可能隐藏轴子信号的噪声。（图片来源：凯利·巴克斯Kelly Backes，此类许可允许仅以未修改的形式,以任何媒介或格式复制和分发作品材料,版权归属作者,但可以用于商业用途CC BY-ND）

压缩量子噪声

在HAYSTAC团队中，我们没有那种耐心。所以在2012年，我们开始通过尽一切可能减少噪声来加快轴子搜索。但到了2017年，由于被称为不确定性原理的量子物理学定律，我们发现自己遇到了一个基本的最小噪声限值。

不确定性原理指出，不可能同时知道某些物理量的精确值——例如，你不能同时知道粒子的位置和动量。回想一下，轴子探测器通过测量两种弦来搜索轴子，这两种弦是特定种类的电磁场振荡。不确定性原理通过向弦振荡添加最小量的噪声来禁止这两种弦被精确了解。

在传统的轴子探测器中，来自不确定性原理的量子噪声使两种弦都变得同样模糊。这种噪声无法被消除，但使用正确的工具就可以被控制。我们的团队找到了一种方法，在HAYSTAC探测器中绕过量子噪声，减少其对一种弦的影响，同时增加其对另一种弦的影响。这种噪声操纵技术被称为量子压缩。

在研究生凯利·巴克斯（Kelly Backes）和丹·帕尔肯（Dan Palken）一次尝试的带领下，HAYSTAC团队利用从量子计算研究中借来的超导电路技术，在我们的探测器中实施压缩，这是一项挑战。通用量子计算机还有很长的路要走，但我们的新论文表明，这种压缩技术可以立即提高对暗物质的搜索速度。

低温冷却有助于降低噪声，但通过压缩量子噪声，HAYSTAC探测器可以更快地搜索轴子信号。（图片来源：凯利·巴克斯Kelly Backes，此类许可允许仅以未修改的形式,以任何媒介或格式复制和分发作品材料,版权归属作者,但可以用于商业用途CC BY-ND）

更大的带宽，更快的搜寻

我们的团队成功地压缩了HAYSTAC探测器中的噪声。但我们是如何利用这一点来提高轴子搜索速度的呢？

量子压缩不能均匀地减少轴子探测器带宽上的噪声。相反，它在边缘处具有最大的效果。想象一下，你把你的收音机调到88.3兆赫，但你想要的电台实际上是88.1兆赫。有了量子压缩，只需一台之遥，你就能听到你最喜欢的歌曲。

在无线电广播的世界里，这将导致灾难，因为不同的电台会相互干扰。但由于只有一个暗物质信号可以寻找，更宽的带宽允许物理学家通过一次覆盖更多的频率来更快地搜索。在我们的最新结果中，我们使用压缩的方法将HAYSTAC的带宽增加了一倍，使我们能够以两倍于以前的速度搜索轴子。

仅仅是量子压缩不足以在合理的时间内扫描所有可能的轴子频率。但将扫描速度提高一倍是朝着正确方向迈出的一大步，我们相信进一步改进我们的量子压缩系统可能会使我们的扫描速度提高10倍。

没有人知道轴子是否存在，也不知道轴子能否解开暗物质的谜团；但由于量子技术的意外应用，我们离回答这些问题又近了一步。

BY: Benjamin Brubaker

FY: Tessa

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