Fizicienii construiesc o cuantică cuantică care poate căuta materia întunecată

Un qubit (micul dreptunghi) este așezat pe un substrat de safir, care stă pe vârful degetului pentru a arăta scala. Oamenii de știință de la Universitatea Fermilaband din Chicago au folosit un qubit similar cu acesta pentru a dezvolta o tehnică care va accelera căutarea materiei întunecate și a fotonilor ascunși. Credit: Fotografie de Reidar Hahn, Fermilab

Qubits oferă un mod rapid și extrem de fiabil de a rezolva unul dintre marile mistere ale fizicii.

Există un fel de material invizibil care afectează mișcările stelelor și galaxiilor, dar până acum nimeni nu a reușit să detecteze în mod direct aceeași substanță, numită materie întunecată. Dar sunt cei care speră că putem profita de câmpul în creștere al științei cuantice pentru a o găsi în cele din urmă.

Oamenii de știință de la Laboratorul Național de Accelerare Fermi al Departamentului de Energie al Statelor Unite și Universitatea din Chicago au demonstrat o nouă tehnică bazată pe tehnologia cuantică care le va permite să avanseze în căutarea materiei întunecate, care reprezintă 85% din toată materia din univers.

„Știm că există o mulțime de aluat în jurul nostru care nu este făcut din aceleași lucruri pe care le-am făcut din tine și cu mine”, a declarat științificul Fermilab, Aaron Chou, co-autor al unui articol publicat în Scrisori de recenzie fizică despre noua tehnică. „Natura materiei întunecate este un mister cu adevărat convingător pe care mulți dintre noi încercăm să-l rezolvăm”.

În special, există două tipuri de particule subatomice pe care oamenii de știință le-au prezentat ca posibile moduri în care ar putea apărea materia întunecată. Colaborarea a dezvoltat noi dispozitive bazate pe calcul cuantic biți care vor putea detecta semnalele slabe emise de oricare dintre aceste particule, dacă există: una numită „axion” și cealaltă numită „foton ascuns”, o particulă care, eventual, interacționează cu fotoni: universul vizibil al particulelor de lumină.

„Natura materiei întunecate este un mister cu adevărat convingător pe care mulți dintre noi încercăm să-l rezolvăm”.

Aaron Chou, om de știință Fermilab

Tehnica demonstrată acum de echipa Fermilab-Universitatea din Chicago ar putea permite căutărilor de materie întunecată să continue de 1.000 de ori mai repede decât metodele anterioare.

Folosiți lumina pentru a detecta particulele întunecate

Fizicienii au făcut puține progrese în detectarea axonilor, deoarece existența sa a fost propusă acum mai bine de 30 de ani.

„Experimentele cu tehnici convenționale nu au fost departe de ceea ce ar fi trebuit să fie pentru a putea detecta materia întunecată cu acțiune de masă mai mare”, a spus Chou. „Nivelul de zgomot este prea mare”.

Dar, în ultimul deceniu, oamenii de știință s-au priceput din ce în ce mai bine să profite de proprietățile mecanicii cuantice, legile care guvernează comportamentul ciudat al particulelor la cele mai mici niveluri din univers, cum ar fi crearea de noi tehnologii. O astfel de realizare este un „qubit” sau un pic de calcul cuantic. Acestea pot fi incredibil de sensibile chiar și la cele mai mici perturbări, exact ceea ce doriți într-un detector.

În noua tehnică a echipamentului, qubiturile sunt proiectate pentru a detecta fotonii care ar apărea atunci când particulele de materie întunecată interacționează cu un câmp electromagnetic. Un dispozitiv special construit numit cavitate supraconductoare oferă o modalitate de a acumula și stoca fotonul de semnal. Qubitul, introdus în cavitate, măsoară fotonul.

Tehnica va beneficia de căutarea oricărui candidat la materie întunecată, deoarece atunci când particulele invizibile devin fotoni, acestea pot fi detectate.

Semnal de materie întunecată din cavitatea microunde supraconductoare

Cilindrul albastru din această diagramă reprezintă o cavitate cu microunde supraconductoare care este utilizată pentru a acumula un semnal de materie întunecată. Purpuriu este qubitul utilizat pentru a măsura starea cavității, fie 0, fie 1. Valoarea se referă la numărul de fotoni numărați. Dacă materia întunecată a depus cu succes un foton în cavitate, ieșirea ar măsura 1. Nici o depunere a unui foton nu ar măsura 0. Credit: Imagine datorită lui Akash Dixit

Oamenii de știință au spus că cheia sensibilității tehnicii este capacitatea sa de a elimina citirile false pozitive. Tehnicile convenționale distrug fotonii pe care îi măsoară. Dar noua tehnică poate investiga fotonul fără a-l distruge. Măsurătorile repetate ale aceluiași foton, pe durata de viață de 500 de microsecunde, oferă asigurare împotriva lecturilor greșite.

“Este nevoie de aproximativ 10 microsecunde pentru a măsura fotonul o dată cu qubit, astfel încât să putem face aproximativ 50 de măsurători repetate ale aceluiași foton în timpul vieții sale”, a spus Akash Dixit, doctorand în fizică la Universitatea din Chicago și coautor .

Tehnica echipei Fermilab-Universitatea din Chicago reduce, de asemenea, zgomotul care ascunde semnalul.

„Este o modalitate mult mai inteligentă și mai ieftină de a obține aceleași mari îmbunătățiri ale sensibilității”, a spus Chou. „Acum nivelul de zgomot static a scăzut atât de mult încât ai șansa să vezi primele mici oscilații în măsurătorile tale din cauza semnalului foarte, foarte mic.”

„Când metoda convențională poate genera un foton de zgomot la fiecare măsurare, în detectorul nostru veți obține un foton de zgomot pentru fiecare mie de măsurători pe care le faceți”, a spus Dixit.

Dixit și colegii săi și-au adaptat tehnica la una dezvoltată de fizicianul atomic Serge Haroche, care a împărtășit Premiul Nobel pentru fizică din 2012 pentru isprava sa.

Mișcarea axonilor ascunși și a fotonilor

Cavitățile cu microunde supraconductoare sunt vitale pentru noua tehnică. Cavitatea utilizată în experiment este realizată din aluminiu foarte pur (99,9999%). La temperaturi extrem de scăzute, aluminiul devine supraconductor, o proprietate care extinde longevitatea biților cuantici, care prin natura lor sunt de scurtă durată.

„Avantajul pe care îl obținem este că, odată ce tu (sau materia întunecată) ai introdus un foton în cavitate, este capabil să-l țină mult timp”, a observat Dixit. „Cu cât fotonul ține mai mult cavitatea, cu atât mai mult va trebui să luăm o măsurătoare”.

„Cu cât fotonul ține mai mult cavitatea, cu atât mai mult va trebui să luăm o măsurătoare”.

UCashago, student absolvent Akash Dixit

Tehnica este de 36 de ori mai sensibilă la particule decât limita cuantică, un punct de referință al măsurătorilor cuantice convenționale.

Dacă există axiuni, experimentul actual oferă o probabilitate de unul din 10.000 de a detecta un foton produs de o interacțiune cu materia întunecată.

„Pentru a ne îmbunătăți în continuare capacitatea de a detecta un astfel de eveniment rar, trebuie să scădem temperatura fotonilor”, a spus David Schuster, profesor asociat de fizică la UChicago și co-autor al noului articol. Reducerea temperaturii fotonului va crește și mai mult sensibilitatea tuturor candidaților la materia întunecată, inclusiv fotonii ascunși.

Fotonii experimentului s-au răcit la o temperatură de aproximativ 40 milikelvini (minus 459,60 grade) Fahrenheit), doar o retușare zero absolut. Cercetătorii ar dori să atingă temperatura de funcționare de 8 milikelvini (minus 459,66 grade Fahrenheit). În acest moment, mediul pentru căutarea materiei întunecate ar fi impecabil, efectiv lipsit de fotoni de fundal.

“Cu toate că există cu siguranță încă o cale de parcurs, există motive să fim optimiști”, a spus Schuster, al cărui grup de cercetare va aplica aceeași tehnologie calculelor cuantice. “Folosim știința informației cuantice pentru a ajuta la cercetarea materiei întunecate, dar același tip de fotoni de fundal sunt, de asemenea, o sursă potențială de eroare pentru calculele cuantice. Prin urmare, această cercetare are utilizări dincolo de știința fundamentală”.

“Cu toate că există cu siguranță încă o cale de parcurs, există motive pentru a fi optimiști”.

Conf. Univ. Prof. David Schuster

Schuster a spus că proiectul oferă un bun exemplu al tipului de colaborare care are sens între un laborator universitar și un laborator național.

„Laboratorul nostru universitar avea tehnologie qubit, dar pe termen lung nu am putut face niciun fel de căutare a materiei întunecate la nivelul cerut”, a spus el. „Aici parteneriatul național-laborator joacă un rol important.”

Beneficiul acestui efort transversal ar putea fi imens.

„Nu există nicio modalitate de a face aceste experimente fără noile tehnici pe care le-am dezvoltat”, a spus Chou.

Referință: „Căutarea unei materii întunecate cu un Qubit supraconductor” de Akash V. Dixit, Srivatsan Chakram, Kevin He, Ankur Agrawal, Ravi K. Naik, David I. Schuster și Aaron Chou, 8 aprilie 2021, Scrisori de recenzie fizică.
DOI: 10.1103 / PhysRevLett.126.141302

Finanțare: Fundația Heising-Simons, programul QuantISED al Departamentului SUA de Fizică a Înaltelor Energii.

Related articles

Comments

LEAVE A REPLY

Please enter your comment!
Please enter your name here

Share article

Latest articles

Zirconii antici datează începutul tectonicii plăcilor în urmă cu 3,6 miliarde de ani – un eveniment critic pentru a face pământul ospitalier pentru viață

Zirconii examinați de echipa de cercetare, fotografiați cu catodoluminiscență, tehnică cu care echipa a putut vizualiza interiorul cristalelor cu un microscop electronic cu scanare...

Putem face opioidele mai puțin dependente? [Video]

În 2017, milioane de oameni din întreaga lume erau dependenți de opioide și 115.000 au murit din cauza unui supradozaj. Opioidele sunt cele mai puternice...

Măsurile neconvenționale împotriva pandemiei și apărării nucleare pot proteja omenirea de catastrofe catastrofale

Lansarea mânerului SM-3 Block IB de la un crucișător cu rachete ghidate USS Lake Erie (CG 70). Credit: Marina SUA În curând viața pe...

Situl de legare a anticorpilor conservat în variantele de virus COVID-19 – impact mare pentru vaccinurile viitoare

O echipă de cercetare Penn State a descoperit că proteinele N din barza-covi-2 sunt stocate în toate coronavirusurile epidemice legate de îngrășăminte (sus, stânga:...

Mișcări ale electronilor de ceas în interiorul unui atom: viteza obturatorului de o milionime dintr-o miliardime de secundă

Reprezentarea artistică a experimentului. Întârzierea inerentă între emisia celor două tipuri de electroni duce la o elipsă caracteristică în datele analizate. În...

Newsletter

Subscribe to stay updated.