|
Обнаружение темной материи с помощью квантовых компьютеров
|
|
|
|
Темная материя составляет около 27% материи и энергетического бюджета Вселенной, но ученые мало что о ней знают. Они знают, что она холодная, а это означает, что частицы, из которых состоит темная материя, медленно движутся. Также трудно обнаружить темную материю напрямую, потому что она не взаимодействует со светом. Однако ученые из Национальной ускорительной лаборатории Ферми Министерства энергетики США нашли способ искать темную материю с помощью квантовых компьютеров. Аарон Чоу, старший научный сотрудник Fermilab, работает над обнаружением темной материи с помощью квантовой науки. В рамках программы Министерства энергетики США по физике высоких энергий QuantISED он разработал способ использования кубитов, основного компонента квантовых вычислительных систем, для обнаружения одиночных фотонов, производимых темной материей в присутствии сильного магнитного поля.
|
|
|
|
Классический компьютер обрабатывает информацию с двоичными битами, установленными либо в 1, либо в 0. Определенный набор единиц и нулей позволяет компьютеру выполнять определенные функции и задачи. Однако в квантовых вычислениях кубиты существуют одновременно как в 1, так и в 0, пока они не будут прочитаны, благодаря квантово-механическому свойству, известному как суперпозиция. Это свойство позволяет квантовым компьютерам эффективно выполнять сложные вычисления, на выполнение которых классическому компьютеру потребовалось бы огромное количество времени. «Кубиты работают, манипулируя одиночными возбуждениями информации, например, одиночными фотонами», — сказал Чжоу. «Итак, если вы работаете с такими небольшими пакетами энергии, как одиночные возбуждения, вы гораздо более восприимчивы к внешним возмущениям».
|
|
|
Чтобы кубиты могли работать на этих квантовых уровнях, они должны находиться в тщательно контролируемой среде, которая защищает их от внешнего вмешательства и поддерживает постоянно низкие температуры. Даже малейшее возмущение может привести к сбою программы в квантовом компьютере. Благодаря их чрезвычайной чувствительности, Чоу понял, что квантовые компьютеры могут обеспечить способ обнаружения темной материи. Он признал, что другие детекторы темной материи должны быть защищены так же, как квантовые компьютеры, что еще больше укрепило эту идею. «И квантовые компьютеры, и детекторы темной материи должны быть сильно экранированы, и единственное, что может проскочить, — это темная материя», — сказал Чжоу. «Итак, если люди создают квантовые компьютеры с одинаковыми требованиями, мы спросили: «Почему вы не можете просто использовать их в качестве детекторов темной материи?»
|
|
|
|
Когда частицы темной материи пересекают сильное магнитное поле, они могут производить фотоны, которые Чжоу и его команда могут измерить с помощью сверхпроводящих кубитов внутри алюминиевых фотонных полостей. Поскольку кубиты были защищены от всех других внешних возмущений, когда ученые обнаруживают возмущение от фотона, они могут сделать вывод, что оно было результатом пролета темной материи через защитные слои. «Эти помехи проявляются в виде ошибок, когда вы не загружали какую-либо информацию в компьютер, но каким-то образом информация появлялась, например, нули превращались в единицы от частиц, пролетающих через устройство», — сказал он.
|
|
|
|
На данный момент Чоу и его команда продемонстрировали, как работает этот метод, и что устройство невероятно чувствительно к этим фотонам. Их метод имеет преимущества по сравнению с другими датчиками, например, возможность проводить несколько измерений одного и того же фотона, чтобы гарантировать, что возмущение не было просто вызвано другой случайностью. Устройство также имеет сверхнизкий уровень шума, что обеспечивает повышенную чувствительность к сигналам темной материи. «Мы знаем, как сделать эти настраиваемые блоки, благодаря сообществу физиков высоких энергий, и мы работали вместе с людьми, занимающимися квантовыми вычислениями, чтобы понять и передать технологию использования этих кубитов в качестве датчиков», — сказал Чжоу. Отсюда они планируют разработать эксперимент по обнаружению темной материи и продолжить совершенствовать конструкцию устройства.
|
|
|
|
«Это устройство проверяет датчик в коробке, который удерживает фотоны с одной частотой», — сказал Чжоу. «Следующий шаг — модифицировать эту коробку, чтобы превратить ее в нечто вроде радиоприемника, в котором мы можем изменять размеры коробки». Изменяя размеры фотонной полости, он сможет ощущать различные длины волн фотонов, производимых темной материей. «Волны, которые могут жить в ящике, определяются общим размером ящика. Чтобы изменить частоты и длины волн темной материи, которые мы хотим искать, нам фактически нужно изменить размер ящика», — сказал он. Чжоу. «Это работа, которую мы сейчас делаем; мы создали коробки, в которых мы можем изменять длину различных частей, чтобы иметь возможность настраиваться на темную материю на разных частотах».
|
|
|
|
Исследователи также разрабатывают полости из различных материалов. Традиционные алюминиевые фотонные резонаторы теряют свою сверхпроводимость в присутствии магнитного поля, необходимого для производства фотонов из частиц темной материи. «Эти полости не могут жить в сильных магнитных полях», — сказал он. «Сильные магнитные поля разрушают сверхпроводимость, поэтому мы сделали новую полость из синтетического сапфира». Разработка этих новых настраиваемых сапфировых фотонных полостей приблизит команду к проведению экспериментов с темной материей, которые сочетают в себе аспекты как физики, так и квантовой науки.
|
|
|
|
Источник
|
