Разработали усилитель для охотников за темной материей
Квантовые инженеры UNSW разработали новый усилитель, который может помочь другим ученым в поиске неуловимых частиц темной материи. Представьте, что вы бросаете мяч. Можно было бы ожидать, что наука сможет определить его точную скорость и местоположение в любой момент времени, верно? Ну, теория квантовой механики утверждает, что на самом деле невозможно знать и то, и другое с бесконечной точностью одновременно. Оказывается, по мере того, как вы более точно определяете, где находится мяч, знание его скорости становится все менее и менее точным. Эту загадку обычно называют принципом неопределенности Гейзенберга, названным в честь знаменитого физика Вернера Гейзенберга, который впервые описал его. Для шара этот эффект незаметен, но в квантовом мире малых электронов и фотонов неопределенность измерений внезапно становится очень значительной. Эту проблему пытается решить команда инженеров из UNSW в Сиднее, которые разработали усилительное устройство, которое выполняет точные измерения очень слабых микроволновых сигналов с помощью процесса, известного как сжатие.
Сжатие включает в себя снижение достоверности одного свойства сигнала с целью получения сверхточных измерений другого свойства. Команда исследователей из UNSW под руководством доцента Джеррида Пла (Jarryd Pla) значительно повысила точность измерения сигналов на сверхвысоких частотах, подобных тем, которые излучает ваш мобильный телефон, и установила новый мировой рекорд. Точность измерения любого сигнала существенно ограничена шумом. Шум - это нечеткость, которая проникает в сигналы и маскирует их, с чем вы, возможно, сталкивались, если когда-либо выходили за пределы диапазона при прослушивании AM- или FM-радио. Однако неопределенность в квантовом мире означает, что существует предел того, насколько низким может быть уровень шума при измерении. "Даже в вакууме, в пространстве, лишенном всего, принцип неопределенности говорит нам, что шум все равно должен присутствовать. Мы называем это "вакуумным" шумом. Во многих квантовых экспериментах вакуумный шум является доминирующим эффектом, который мешает нам проводить более точные измерения", - говорит профессор Дж. Профессор из школы электротехники и телекоммуникаций UNSW и соавтор статьи, опубликованной в Nature Communications.
Соковыжималка, созданная командой UNSW, может превзойти этот квантовый предел. "Устройство усиливает шум в одном направлении, так что шум в другом направлении значительно уменьшается, или "сжимается". Представьте себе шум как теннисный мяч: если мы растянем его вертикально, то он должен уменьшиться по горизонтали, чтобы сохранить свою громкость. Затем мы можем использовать уменьшенную часть шума для проведения более точных измерений", - говорит проф. Говорит Ноак. "Самое главное, мы показали, что соковыжималка способна снижать уровень шума до рекордно низкого уровня". Устройство стало результатом кропотливой работы. Кандидат наук Арьен Вартьес (Arjen Vaartjes), ведущий автор статьи вместе с коллегами из UNSW, доктором Андерсом Крингхой (Anders Kringhoj) и доктором Уайаттом Вайном (Wyatt Vine), добавляет: "Сжатие очень сложно на сверхвысоких частотах, потому что используемые материалы, как правило, довольно легко разрушают хрупкий шум при сжатии. "Мы проделали большую инженерную работу, чтобы устранить источники потерь, что означает использование очень высококачественных сверхпроводящих материалов для создания усилителя".
И команда считает, что новое устройство может помочь ускорить поиск заведомо неуловимых частиц, известных как аксионы, которые пока существуют только в теории, но многие считают их секретным ингредиентом таинственной темной материи. Проведение точных измерений - это область деятельности ученых, пытающихся выяснить, что представляет собой темная материя, которая, как полагают, составляет около 27 процентов известной Вселенной, но остается космической загадкой, поскольку ученые так и не смогли ее идентифицировать. Как следует из его названия, он не излучает и не поглощает свет, что делает его "невидимым". Но физики считают, что он должен быть там и оказывать гравитационное притяжение, иначе галактики разлетались бы в разные стороны. Существует множество различных теорий о том, из чего может состоять темная материя, включая предположение о существовании так называемых аксионов. Сами аксионы также никогда не были открыты, поскольку теория гласит, что они почти непостижимо малы, имеют чрезвычайно низкую массу как отдельная частица и поэтому практически незаметно взаимодействуют с другой известной материей.
Однако, согласно одной из гипотез, аксионы при воздействии сильных магнитных полей должны излучать очень слабые микроволновые сигналы. Ученые используют высокочувствительное оборудование и проводят тщательные измерения в попытке обнаружить эти мельчайшие сигналы. Но, как отмечает проф. В Pla говорят: "При попытке обнаружить такие призрачные частицы, как аксионы, даже вакуумный шум может быть оглушительным". Работа, проделанная при сжатии на UNSW, означает, что теперь эти измерения можно проводить в шесть раз быстрее, что повышает шансы обнаружить неуловимый аксион. "Аксионные детекторы могут использовать соковыжималки для снижения уровня шума и ускорения измерений. Наши результаты показывают, что теперь эти эксперименты можно проводить еще быстрее, чем раньше", - говорит профессор Пла. "Ученые могут видеть влияние темной материи на галактики, но никто никогда не обнаруживал его. Пока вы физически не измерите аксион, это будет всего лишь теория о том, как проявляется темная материя".
Ведущий автор исследования доктор Вайн говорит, что у нового усилительного устройства их команды есть и другие возможности применения. "В ходе нашего исследования мы также показали, что устройство может работать при более высоких температурах, чем предыдущие соковыжималки, а также в сильных магнитных полях", - говорит доктор Вайн. "Это открывает возможности для применения в таких методах, как спектроскопия, которая используется для изучения структуры новых материалов и биологических систем, таких как белки. Низкий уровень шума означает, что вы можете изучать меньшие объемы или измерять образцы с большей точностью". Доктор Крингхой отмечает, что сам по себе сжатый шум может быть даже использован в будущих квантовых компьютерах. "Оказывается, шум в сжатом вакууме является необходимым компонентом для создания квантового компьютера определенного типа. Интересно, что уровень сжатия, которого мы достигли, не так уж и далек от уровня, необходимого для создания такой системы", - говорит он.
