Большие скопления галактик содержат как темную, так и нормальную материю. Огромная гравитация всего этого материала искажает пространство вокруг кластера, в результате чего свет от объектов, расположенных за кластером, искажается и увеличивается. Это явление называется гравитационным линзированием. НАСА / ЕКА
Спустя почти столетие после того, как темная материя была впервые предложена для объяснения движения скоплений галактик, физики до сих пор не знают, из чего она состоит.
Исследователи по всему миру построили десятки детекторов в надежде обнаружить темную материю. Будучи аспирантом, я помогал проектировать и эксплуатировать один из этих детекторов, удачно названный HAYSTAC (Haloscope At Yale Sensitive To Axion CDM). Но, несмотря на десятилетия экспериментальных усилий, ученым еще предстоит идентифицировать частицу темной материи.
Теперь поиск темной материи получил маловероятную помощь со стороны технологий, используемых в исследованиях квантовых вычислений. В новой статье, опубликованной в журнале Nature, мы с моими коллегами из команды HAYSTAC описываем, как мы использовали небольшой квантовый обман, чтобы удвоить скорость, с которой наш детектор может искать темную материю. Наш результат добавляет столь необходимый прирост скорости к охоте за этой загадочной частицей.
Бывший постдок Йельского университета Даниэль Спеллер, которая сейчас работает доцентом в Университете Джона Хопкинса, документирует процесс сборки детектора HAYSTAC.
Поиск сигнала темной материи
Есть убедительные доказательства из астрофизики и космологии, что неизвестное вещество, называемое темной материей, составляет более 80 процентов материи во Вселенной. Физики-теоретики предложили десятки новых фундаментальных частиц, которые могли бы объяснить темную материю. Но чтобы определить, какая из этих теорий верна, исследователи должны построить разные детекторы для проверки каждой из них.Одна известная теория предполагает, что темная материя состоит из пока еще гипотетических частиц, называемых аксионами, которые в совокупности ведут себя как невидимая волна, колеблющаяся в космосе с очень определенной частотой. Детекторы Axion, включая HAYSTAC, работают как радиоприемники, но вместо того, чтобы преобразовывать радиоволны в звуковые, они стремятся преобразовать волны аксионов в электромагнитные. В частности, аксионные детекторы измеряют две величины, называемые квадратурами электромагнитного поля. Эти квадратуры представляют собой два различных типа колебаний в электромагнитной волне, которые возникли бы при существовании аксионов.
Основная проблема в поисках аксионов заключается в том, что никто не знает частоту гипотетической аксионной волны. Представьте, что вы находитесь в незнакомом городе и ищете конкретную радиостанцию, перебирая FM-диапазон по одной частоте за раз. Охотники за аксионами делают примерно то же самое: они настраивают свои детекторы на широкий диапазон частот дискретными шагами. Каждый шаг может охватывать только очень небольшой диапазон возможных частот аксионов. Этот небольшой диапазон и есть полоса пропускания детектора.
Настройка радио обычно включает в себя паузу на несколько секунд на каждом этапе, чтобы проверить, нашли ли вы нужную станцию. Это сложнее, если сигнал слабый и много статического электричества. Аксионный сигнал - даже в самых чувствительных детекторах - был бы чрезвычайно слабым по сравнению со статикой от случайных электромагнитных колебаний, которые физики называют шумом. Чем больше шума, тем дольше детектор должен находиться на каждом шаге настройки, чтобы прослушать аксионный сигнал.
К сожалению, исследователи не могут рассчитывать на то, что уловят передачу аксиона после нескольких десятков оборотов шкалы радиоприемника. FM-радио настраивается от 88 до 108 мегагерц (1 мегагерц равен 1 миллиону герц). Частота аксиона, напротив, может составлять от 300 до 300 миллиардов герц. При той скорости, с которой работают современные детекторы, на обнаружение аксиона или доказательство того, что его не существует, может потребоваться более 10 000 лет.
Сжатие квантового шума
В команде HAYSTAC у нас нет такого терпения. Поэтому в 2012 году мы решили ускорить поиск аксионов, сделав все возможное для уменьшения шума. Но к 2017 году мы столкнулись с фундаментальным минимальным пределом шума из-за закона квантовой физики, известного как принцип неопределенности.Принцип неопределенности гласит, что невозможно знать точные значения определенных физических величин одновременно - например, вы не можете знать одновременно положение и импульс частицы. Напомним, что аксионные детекторы ищут аксион, измеряя две квадратуры - эти особые виды колебаний электромагнитного поля. Принцип неопределенности запрещает точное знание обеих квадратур, добавляя минимальное количество шума к квадратурным колебаниям.
В обычных аксионных детекторах квантовый шум из принципа неопределенности в равной степени скрывает обе квадратуры. Этот шум невозможно устранить, но с помощью подходящих инструментов его можно контролировать. Наша команда разработала способ обходить квантовый шум в детекторе HAYSTAC, уменьшая его влияние на одну квадратуру и увеличивая его влияние на другую. Этот метод обработки шума называется квантовым сжатием.
В рамках усилий аспирантов Келли Бэкес и Дэна Палкена команда HAYSTAC взяла на себя задачу реализовать сжатие в нашем детекторе, используя технологию сверхпроводящих цепей, заимствованную из исследований квантовых вычислений. Квантовым компьютерам общего назначения еще далеко, но наша новая статья показывает, что эта технология сжатия может немедленно ускорить поиск темной материи.
Аспирант Йельского университета Келли Бэкес и бывший аспирант из Колорадо Дэн Палкен собирают части системы сжатия.
Большая пропускная способность, более быстрый поиск
Нашей команде удалось сжать шум в детекторе HAYSTAC. Но как мы использовали это, чтобы ускорить поиск аксионов?Квантовое сжатие не уменьшает шум равномерно по всей полосе пропускания аксионного детектора. Вместо этого он имеет наибольший эффект по краям. Представьте, что вы настроили свое радио на 88,3 мегагерца, но на самом деле вам нужна станция на 88,1. С квантовым сжатием вы сможете услышать свою любимую песню на расстоянии одной станции.
В мире радиовещания это было бы рецептом катастрофы, потому что разные станции мешали бы друг другу. Но если нужно искать только один сигнал темной материи, более широкая полоса пропускания позволяет физикам искать быстрее, охватывая больше частот одновременно. В нашем последнем результате мы использовали сжатие, чтобы удвоить пропускную способность HAYSTAC, что позволило нам искать аксионы в два раза быстрее, чем мы могли раньше.
Одного квантового сжатия недостаточно для сканирования всех возможных аксионных частот за разумное время. Но удвоение скорости сканирования - большой шаг в правильном направлении, и мы считаем, что дальнейшие улучшения нашей системы квантового сжатия могут позволить нам сканировать в 10 раз быстрее.
Никто не знает, существуют ли аксионы или они решат загадку темной материи; но благодаря этому неожиданному применению квантовой технологии мы на один шаг ближе к ответу на эти вопросы.
