作者史蒂夫·科珀斯，费米国家加速器实验室 这个图中的蓝色圆柱体代表一个超导微波腔，用于积累暗物质信号
紫色是用来测量空腔状态的量子位，0或1
该值是指计数的光子数
如果暗物质已经成功地在腔中沉积了一个光子，输出将会是1
没有一个光子的沉积会达到0
学分:芝加哥大学阿卡什·迪克西特 能源部费米国家加速器实验室和芝加哥大学的科学家展示了一种基于量子技术的新技术，该技术将推进对暗物质的搜索，暗物质是一种不可见的物质，占宇宙中所有物质的85%
这一合作开发了称为量子位的超导设备，能够检测两种假设的亚原子粒子发出的微弱信号，这两种粒子可能存在于宇宙中一个不可见但无处不在的部分，称为暗区
一种叫做轴子，一种领先的暗物质候选物
另一种被称为隐藏光子，一种可能与可见宇宙的光子——光的粒子——相互作用的粒子
芝加哥大学费米实验室团队现在展示的技术对粒子的敏感度是传统量子测量基准量子极限的36倍，使得暗物质的搜索速度提高了1000倍
用光探测暗粒子 在这项技术中，量子位被设计用来探测暗物质粒子与电磁场相互作用时产生的光子
用量子位代替传统技术作为探测器的好处在于它们与光子相互作用的方式
这项技术灵敏度的关键是它消除假阳性读数的能力
传统技术会破坏他们测量的光子
但是新技术可以探测光子而不破坏它
在同一个光子500微秒的生命周期内对其进行重复测量，可以防止错误的读数
芝加哥大学物理学博士生阿卡西·迪克西特说:“用量子位对光子进行一次测量需要大约10微秒，因此我们可以在同一光子的一生中对其进行大约50次重复测量。”
迪克西特和他的合著者，包括费米实验室的周亚伦，在《物理评论快报》中描述了他们的技术
“使用传统技术的实验远远不能满足我们探测高质量轴子暗物质的需要，”周说
“噪音水平太高了
" 有两种方法可以让实验对科学家们正在寻找的新物理的微妙暗示更加敏感
一种是通过制造更大的探测器来增强信号
另一种方法是降低隐藏目标信号的噪声水平
芝加哥大学费米实验室团队完成了后者
“这是一个更聪明和更便宜的方法来获得同样大的灵敏度提高，”周说
“现在，静态噪声的水平已经降低了很多，你有机会在测量中看到非常非常小的波动，这是由于非常非常小的信号
" 这项技术将有利于寻找任何暗物质候选物，因为当不可见粒子转化为光子时，它们可以被探测到
迪克西特说:“传统方法每次测量都会产生一个光子的噪声，而在我们的探测器中，每进行一千次测量就会产生一个光子的噪声。”
迪克西特和他的同事将他们的技术改编自原子物理学家塞尔日·阿罗什开发的技术，他因这一壮举分享了2012年诺贝尔物理学奖
周认为这项新技术是原子物理学中非简并相互作用发展的一部分，现在被引入超导量子位领域
一个量子位(小矩形)被放置在蓝宝石衬底上，放在指尖上显示比例
费米实验室和芝加哥大学的科学家使用了一个类似于这个的量子位来开发一种技术，这种技术将加速对轴子暗物质和隐藏光子的搜索
信用:赖达·哈恩，费米实验室 找出轴子和隐藏的光子 自从30多年前提出轴子的存在以来，物理学家在检测轴子方面进展甚微
“我们知道我们周围有大量的物质不是由你我一样的物质构成的，”周说
“暗物质的本质是一个非常引人注目的谜，我们很多人都在试图解开它
" 超导微波腔对这项新技术至关重要
实验中使用的腔体是由高纯度的99
9999%—铝
在极低的温度下，铝变成超导的，这一特性延长了量子位的寿命，而量子位的寿命本来就很短
超导腔提供了一种积累和存储信号光子的方法
量子位，一个插入空腔的天线，然后测量光子
“我们得到的好处是，一旦你——或者说暗物质——把一个光子放入腔中，它就能长时间保持光子，”迪克西特观察到
“空腔容纳光子的时间越长，我们进行测量的时间就越长
" 同样的技术可以发现隐藏的光子和轴子；后者将需要高磁场来检测
如果轴子存在，目前的实验提供了万分之一的机会来探测暗物质相互作用产生的光子
“为了进一步提高我们感知这种罕见事件的能力，需要降低光子的温度，”芝加哥大学物理学副教授、这篇新论文的合著者大卫·舒斯特说
降低光子温度将进一步增加对所有候选暗物质的敏感度，包括隐藏的光子
实验中的光子已经被冷却到大约40毫克尔温(零下459
华氏60度)，仅比绝对零度高一点
研究人员希望工作温度低至8毫克尔温(零下459
66华氏度)
在这一点上，搜寻暗物质的环境将是一尘不染的，实际上没有背景光子
“虽然肯定还有很长的路要走，但我们有理由感到乐观，”舒斯特说，他的研究小组将把同样的技术应用到量子计算中
“我们正在利用量子信息科学来帮助寻找暗物质，但同样的背景光子也是量子计算的潜在误差来源
所以这项研究的用途超出了基础科学
" 舒斯特说，这个项目为大学实验室和国家实验室之间的合作提供了一个很好的例子
“我们的大学实验室拥有量子位技术，但从长远来看，我们自己并不能真正在所需的水平上进行任何种类的暗物质搜索
这就是国家实验室伙伴关系发挥重要作用的地方，”他说
这种跨学科努力的回报可能是巨大的
“没有我们开发的新技术，就没有办法做这些实验，”周说
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