Ein neues, winziges Qubit. Universität von Chicago / Reidar Hahn / Fermilab
Etwas Unsichtbares formt das Universum - es formt die Struktur und Position von Galaxien und Sternen. Das Material, das als dunkle Materie bezeichnet wird, hat die wissenschaftliche Welt seit Jahrzehnten verwirrt, aber eine kürzliche Hinwendung zu neuartigen Quantentechnologien könnte die entscheidende Verbindung zur Lösung des Rätsels darstellen.
Wissenschaftler haben erfolgreich eine neue Technik unter Verwendung der Quantentechnologie vorgeführt, mit der das wissenschaftliche Streben nach dunkler Materie, die laut einer aktuellen Studie 85% des Universums ausmacht, drastisch vorangetrieben werden kann. in der Zeitschrift veröffentlicht Physical Review Letters .
Neues Qubit-Gerät könnte das jahrzehntealte Geheimnis der Dunklen Materie lösen
"Wir wissen, dass es überall um uns herum eine riesige Menge an Masse gibt, die nicht aus dem gleichen Material besteht, aus dem Sie und ich bestehen", sagte Aaron Chou, Fermilab-Wissenschaftler und Co-Autor des kürzlich erschienenen Papiers, in dem die neue Technik beschrieben wird, im ein Blogbeitrag der Universität von Chicago . "Die Natur der Dunklen Materie ist ein wirklich zwingendes Rätsel, das viele von uns zu lösen versuchen."
Insbesondere gibt es zwei Existenzweisen, in denen Wissenschaftler glauben, wir könnten Dunkle Materie beobachten : Zwei Arten von subatomaren Partikeln. Die Zusammenarbeit kam von der University of Chicago und dem Fermi National Accelerator Laboratory des US-Energieministeriums und entwickelte neue Geräte mit Quantencomputer-Bits, mit denen schwache Signale von beiden subatomaren Partikeln erfasst werden könnengenannt "Axion" und ein anderes "verstecktes Photon" genannt - gedacht, um mit Photonen oder Lichtteilchen im sichtbaren Alltagsuniversum zu interagieren.
Die neuartige Technik ist von Bedeutung, da Forscher damit 1000-mal schneller als bei früheren Versuchen nach Beweisen für dunkle Materie suchen können.
Axionen wurden ursprünglich vor mehr als 30 Jahren vorgeschlagen, aber Physiker hatten kein Glück, sie in der physikalischen Welt zu entdecken. "Experimente mit konventionellen Techniken waren bei weitem nicht annähernd so, wie sie sein mussten, um Axionen mit höherer Masse erkennen zu könnendunkle Materie ", sagte Chou.
"Der Geräuschpegel ist viel zu hoch", fügte Chou hinzu.
Neues Qubit-Gerät erkennt Photonen, ohne sie zu zerstören
In den letzten zehn Jahren haben Wissenschaftler jedoch ihre Fähigkeit verbessert, Eigenschaften der Quantenmechanik zu nutzen, die das seltsame Verhalten von Teilchen auf kleinsten Skalen des Universums bestimmen. Fortschritte auf diesem Gebiet haben es Wissenschaftlern ermöglicht, neue Technologien wie das "Qubit" zu entwickeln," oder Quantencomputerbit . Diese sind unbeschreiblich empfindlich gegenüber sehr kleinen Störungen in einer lokalen Umgebung. Und genau das benötigen die Physiker, um dunkle Materie zu erkennen.
Die neue Technik verwendet Qubits, um Photonen zu erfassen, die erzeugt werden, wenn Partikel der dunklen Materie ein elektromagnetisches Feld beeinflussen. Ein spezielles Gerät, das als supraleitender Hohlraum bekannt ist, bietet eine Möglichkeit, das Signalphoton aufzubauen und zu speichernHohlraum, der Daten über das Photon sammelt. Diese Technik wird die Suche nach allen Kandidaten für die Dunkle Materie vorantreiben, da jedes unsichtbare Teilchen, das sich in Photonen umwandelt, erkannt wird.
Der Grund, warum die Empfindlichkeit der neuen Technik Vorrang hat, ist laut Wissenschaftlern ihre Fähigkeit, falsch positive Messwerte zu vernichten. Frühere Techniken eliminieren die Photonen, die sie messen sollen, aber die neuartige untersucht das Photon fähig, ohne seine Zerstörung zu riskierenführt auch wiederholte Messungen desselben Photons während der Lebensdauer des Partikels von 500 Mikrosekunden durch, wodurch eine Versicherung gegen falsche Messwerte in Form reproduzierbarer Ergebnisse geschaffen wird.
Wir sind sehr nahe daran, dunkle Materie zu entdecken
"Die einmalige Messung des Photons mit dem Qubit dauert etwa 10 Mikrosekunden, sodass wir innerhalb seines Lebens etwa 50 wiederholte Messungen desselben Photons durchführen können", sagte Akash Dixit, Doktorand an der Universität von Chicago.Autor dieser Studie. Die neue Technik senkt auch die Rauschpegel, von denen bekannt ist, dass sie dieses entscheidende Quantensignal verbergen. "Es ist eine viel cleverere und billigere Methode, um die gleichen großen Verbesserungen der Empfindlichkeit zu erzielen", sagte ChouDas statische Rauschen wurde so stark reduziert, dass Sie aufgrund des sehr, sehr kleinen Signals die Möglichkeit haben, die ersten kleinen Wackelbewegungen in Ihren Messungen zu sehen. "
Die herkömmliche Technik erzeugt bei jeder Messung ein einzelnes "Rausch" -Photon - aber mit dem neuen Detektor "erhalten Sie ein Photon Rauschen pro tausend Messungen", erklärte Dixit.
Zusätzlich zu den Fortschritten in den unbeschreiblich kleinen Maßstäben des Quantencomputers haben sich die Physiker auch der Physik der unbeschreiblich großen zugewandt, um die Geheimnisse der Dunklen Materie aufzudecken. Zwei kürzlich durchgeführte Studien, die auf einem Preprint-Server veröffentlicht wurden, schlugen vor, künftige Gammastrahlenteleskope zu verwendensehen ob Partikel der dunklen Materie haben sich in der schweren Schwerkraft des Jupiter angesammelt . Sowohl auf großen als auch auf kleinen Skalen wird die Suche nach Spuren dunkler Materie mit jedem Tag weiter fortgeschritten.