Прорыв Министерства энергетики США: обнаружение темной материи с помощью квантовых компьютеров

Aug 22, 2023

Автор: Национальная ускорительная лаборатория Ферми, 6 декабря 2022 г.

В новом прорыве ученые из Фермилаборатории Министерства энергетики США нашли способ обнаружить темную материю с помощью квантовых компьютеров.

Темная материя составляет около 27% баланса материи и энергии во Вселенной, но ученые о ней мало что знают. Они знают, что оно холодное, а это означает, что частицы, составляющие темную материю, движутся медленно. Также трудно обнаружить темную материю напрямую, поскольку она не взаимодействует со светом. Однако ученые из Национальной ускорительной лаборатории Ферми Министерства энергетики США (Fermilab) нашли способ использовать квантовые компьютеры для поиска темной материи.

Aaron Chou, a senior scientist at Fermilab, works on detecting dark matter through quantum science. As part of DOE's Office of High Energy Physics QuantISED program, he has developed a way to use qubits, the main component of quantum computingPerforming computation using quantum-mechanical phenomena such as superposition and entanglement." data-gt-translate-attributes="[{"attribute":"data-cmtooltip", "format":"html"}]">квантовые вычислительные системы для обнаружения одиночных фотонов, создаваемых темной материей в присутствии сильного магнитного поля.

Классический компьютер обрабатывает информацию с двоичными битами, установленными в 1 или 0. Определенный набор единиц и нулей позволяет компьютеру выполнять определенные функции и задачи. Однако в квантовых вычислениях кубиты существуют как в 1, так и в 0 одновременно, пока они не будут прочитаны, из-за квантовомеханического свойства, известного 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 маленькими порциями энергии, как одиночные возбуждения, вы гораздо более восприимчивы к внешним возмущениям».

Акаш Диксит работает в команде, которая использует квантовые компьютеры для поиска темной материи. Здесь Диксит держит микроволновый резонатор, содержащий сверхпроводящий кубит. Полость имеет отверстия по бокам, точно так же, как сетка на дверце микроволновой печи имеет отверстия; отверстия слишком малы, чтобы через них могли выйти микроволны. Фото: Райан Постел, Фермилаб.

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 нарушение может вывести из строя программу квантового компьютера. Чжоу понял, что благодаря их чрезвычайной чувствительности 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 пройти сквозь нее, — это темная материя», — сказал Чжоу. «Итак, если люди создают квантовые компьютеры с такими же требованиями, мы спросили: почему вы не можете просто использовать их в качестве детекторов темной материи?»

When dark matter particles traverse a strong magnetic field, they may produce photons that Chou and his team can measure with superconducting qubits inside aluminum photonA photon is a particle of light. It is the basic unit of light and other electromagnetic radiation, and is responsible for the electromagnetic force, one of the four fundamental forces of nature. Photons have no mass, but they do have energy and momentum. They travel at the speed of light in a vacuum, and can have different wavelengths, which correspond to different colors of light. Photons can also have different energies, which correspond to different frequencies of light." data-gt-translate-attributes="[{"attribute":"data-cmtooltip", "format":"html"}]"photon cavities. Because the qubits have been shielded from all other outside disturbances, when scientists detect a disturbance from a photon, they can infer that it was the result of dark matter flying through the protective layers./p>