クォンタムテックによってブーストされたダークマターを検索する

2021-02-13
大きな銀河団には、暗い物質と通常の物質の両方が含まれています。このすべての物質の巨大な重力は、クラスターの周りの空間を歪め、クラスターの後ろにあるオブジェクトからの光を歪ませて拡大させます。この現象は重力レンズと呼ばれます。NASA / ESA

暗黒物質が銀河団の動きを説明するために最初に提案されてからほぼ1世紀後、物理学者はまだそれが何でできているのか見当がつかない。

世界中の研究者は、暗黒物質を発見することを期待して、何十もの検出器を構築しました。大学院生として、私はこれらの検出器の1つであるHAYSTAC(Haloscope At Yale Sensitive To Axion CDM)の設計と操作を手伝いました。しかし、何十年にもわたる実験的努力にもかかわらず、科学者たちはまだ暗黒物質の粒子を特定していません。

現在、暗黒物質の探索は、量子コンピューティングの研究で使用されている技術からはありそうもない支援を受けています。Nature誌に掲載された新しい論文で、HAYSTACチームの同僚と私は、検出器が暗黒物質を検索できる速度を2倍にするために、ちょっとした量子トリックをどのように使用したかについて説明します。私たちの結果は、この神秘的な粒子の狩りに待望のスピードブーストを追加します。

現在ジョンズホプキンス大学の助教授を務めている元イェール大学ポスドクのダニエルスペラーは、HAYSTAC検出器の組み立てプロセスを文書化しています。

暗黒物質信号のスキャン

天体物理学と宇宙論から、暗黒物質と呼ばれる未知の物質が宇宙の物質の80パーセント以上を構成しているという説得力のある証拠があります。理論物理学者は、 暗黒物質を説明できる数十の新しい素粒子を提案しています。しかし、これらの理論のどれが正しいかを判断するには、研究者はそれぞれをテストするために異なる検出器を構築する必要があります。

ある著名な理論は、暗黒物質は、宇宙を非常に特定の周波数で振動する目に見えない波のように集合的に振る舞う、アクシオンと呼ばれるまだ仮想の粒子でできていると提案しています。HAYSTACを含む軸探知器はラジオ受信機のように機能しますが、電波を音波に変換する代わりに、軸波を電磁波に変換することを目的としています。具体的には、アクシオン検出器は、電磁場求積法と呼ばれる2つの量を測定し  ます。これらの直交位相は、アクシオンが存在する場合に生成される電磁波の2つの異なる種類の振動です。

アクシオンの検索における主な課題は、仮想のアクシオン波の周波数を誰も知らないことです。なじみのない都市で、一度に1つの周波数でFM帯域を操作して、特定のラジオ局を探していると想像してみてください。アクシオンハンターはほとんど同じことをします:彼らは離散的なステップで広範囲の周波数にわたって彼らの検出器を調整します。各ステップは、非常に狭い範囲の可能なアクシオン周波数のみをカバーできます。この小さな範囲が検出器の帯域幅です。

ラジオのチューニングでは、通常、各ステップで数秒間一時停止して、探しているステーションが見つかったかどうかを確認します。信号が弱く、静電気が多い場合、それはより困難です。アクシオン信号は、最も感度の高い検出器でも、物理学者がノイズと呼ぶランダムな電磁変動による静電気と比較して、非常に弱いものになります。ノイズが多いほど、アクシオン信号をリッスンするために検出器が各チューニングステップに長く留まらなければなりません。

残念ながら、研究者はラジオダイヤルを数十回回した後、アクシオン放送を拾うことを期待することはできません。FMラジオは、わずか88〜108メガヘルツ(1メガヘルツは100万ヘルツ)にチューニングされます。対照的に、アクシオン周波数は、300ヘルツから3000億ヘルツの間のどこかになります。今日の検出器の速度では、アクシオンを見つけたり、アクシオンが存在しないことを証明したりするのに10、000年以上かかる可能性があります。

量子ノイズを絞る

HAYSTACチームには、そのような忍耐力はありません。そこで、2012年に、ノイズを減らすために可能な限りのことを行うことで、アクシオン検索を高速化することに着手しました。しかし、2017年までに、不確定性原理として知られる量子物理学の法則のために、基本的な最小ノイズ制限にぶつかることに気づきました。

不確定性原理は、特定の物理量の正確な値を同時に知ることは不可能であると述べています。たとえば、粒子の位置と運動量の両方を同時に知ることはできません。アクシオン検出器は、2つの直交位相(特定の種類の電磁場振動)を測定することによってアクシオンを検索することを思い出してください。不確定性原理は、直交振動に最小量のノイズを追加することにより、両方の直交の正確な知識を禁止します。

従来のアクシオン検出器では、不確定性原理による量子ノイズが両方の直交位相を等しく覆い隠します。このノイズを除去することはできませんが、適切なツールを使用して制御することができます。私たちのチームは、HAYSTAC検出器の量子ノイズをシャッフルする方法を考案し、一方の直交位相への影響を減らし、もう一方の直交位相への影響を増やしました。このノイズ操作技術は、量子スクイーズと呼ばれます。

大学院生が主導する努力ではケリーBackesとダンPalken、HAYSTACチームは、量子コンピューティング研究から借りた超電導回路技術を使用して、私たちの検出器に絞るの実装に挑戦しました。汎用量子コンピューターはまだまだ先のことですが、私たちの新しい論文は、この圧搾技術が暗黒物質の探索を即座にスピードアップできることを示しています。

イェール大学の大学院生であるケリー・バックスと元コロラド州の大学院生であるダン・パルケンは、スクイーズド状態のセットアップの一部を組み立てます。

より広い帯域幅、より高速な検索

私たちのチームは、HAYSTAC検出器のノイズを絞ることに成功しました。しかし、これをどのように使用してアクシオン検索を高速化したのでしょうか。

量子スクイーズは、アクシオン検出器の帯域幅全体でノイズを均一に低減しません。代わりに、エッジで最大の効果があります。ラジオを88.3メガヘルツに調整するとしますが、必要なステーションは実際には88.1です。量子スクイーズを使用すると、お気に入りの曲が1つのステーションで再生されているのを聞くことができます。

ラジオ放送の世界では、さまざまな局が互いに干渉するため、これは災害のレシピになります。しかし、検索する暗黒物質信号が1つしかないため、帯域幅が広いため、物理学者は一度により多くの周波数をカバーすることで、より高速に検索できます。最新の結果では、スクイーズを使用してHAYSTACの帯域幅を2倍にし、以前の2倍の速度でアクシオンを検索できるようにしました。

量子スクイーズだけでは、妥当な時間内にすべての可能なアクシオン周波数をスキャンするのに十分ではありません。しかし、スキャン速度を2倍にすることは正しい方向への大きな一歩であり、量子スクイーズシステムをさらに改善することで、10倍速くスキャンできるようになると考えています。

アクシオンが存在するかどうか、またはそれらが暗黒物質の謎を解決するかどうかは誰にもわかりません。しかし、量子技術のこの予想外のアプリケーションのおかげで、私たちはこれらの質問に答えることに一歩近づいています。

Benjamin Brubakerは、コロラド大学ボルダー校の量子物理学の博士研究員です。

この記事はから再版された会話、クリエイティブコモンズライセンスの下で。あなたは見つけることができ、ここで元の記事を

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