暗物質約佔宇宙中物質和能量預算的27%，但科學家對它了解不多。他們確實知道它是冷的，這意味著構成暗物質的粒子是緩慢移動的。也很難直接探測到暗物質，因為它不與光互動。然而，美國能源部費米國家加速器實驗室（Fermilab）的科學家發現了一種使用量子計算機尋找暗物質的方法。

費米實驗室的高級科學家Aaron Chou致力於通過量子科學探測暗物質。作為美國能源部高能物理辦公室QuantISED項目的一部分，他已經開發出一種方法，使用量子比特，即量子計算系統的主要組成部分，來探測暗物質在強磁場存在下產生的單光子。

經典計算機用設置為1或0的二進制比特處理信息。1和0的特定模式使計算機有可能執行某些功能和任務。然而，在量子計算中，由於一種被稱為疊加的量子力學特性，量子比特在被讀取之前同時存在於1和0。這一特性使量子計算機能夠有效地進行複雜的計算，而經典計算機則需要花費大量的時間來完成。

阿卡什-迪克西特在使用量子計算機尋找暗物質的團隊工作。在這裡，Dixit拿著一個含有超導量子比特的微波腔。腔體側面有孔，就像微波爐門上的屏幕有孔一樣；這些孔太小，微波無法逃逸。資料來源：Ryan Postel, Fermilab

為了讓量子比特在這些量子水平上運行，它們必須居住在精心控制的環境中，保護它們不受外界干擾，並使它們保持持續的低溫。即使是最輕微的干擾也會使量子計算機中的程序失靈。由於量子計算機的極端敏感性，研究人員意識到量子計算機可以提供一種檢測暗物質的方法。其他暗物質探測器需要以量子計算機的方式進行屏蔽，這進一步鞏固了這一想法。

“量子計算機和暗物質探測器都必須被嚴格屏蔽，而唯一能跳過的就是暗物質，因此，如果人們正在以同樣的要求建造量子計算機，我們就問’為什麼你不能把這些東西當作暗物質探測器？”

當暗物質粒子穿過一個強磁場時，它們可能會產生光子，Chou和他的團隊可以用鋁製光子腔內的超導量子比特進行測量。因為這些量子比特已經被屏蔽了所有其他的外部干擾，當科學家檢測到一個光子的干擾時，他們可以推斷出這是暗物質飛過保護層的結果。

科學家Aaron Chou領導的實驗是利用超導量子比特和空腔來尋找暗物質。Credit: Reidar Hahn, Fermilab

到目前為止，Chou和他的團隊已經證明了這項技術是如何工作的，並且該設備對這些光子非常敏感。他們的方法比其他傳感器有優勢，比如能夠對同一光子進行多次測量，以確保干擾不只是由另一個僥倖造成的。該設備還具有超低的噪音水平，這使得對暗物質信號的敏感度提高了。

即使是最輕微的干擾也會使量子計算機中的程序失靈。憑藉其極端的敏感性，Aaron Chou意識到量子計算機可以提供一種檢測暗物質的方法。

“我們知道如何從高能物理學界製造這些可調諧的盒子，我們與量子計算人員一起工作，了解並轉讓這些量子比特用作傳感器的技術，”Chou說。從這裡開始，他們計劃開發一個暗物質探測實驗，並繼續改進該設備的設計。

“這個裝置測試了盒子裡的傳感器，它能容納單一頻率的光子，”Chou說。”下一步是修改這個盒子，把它變成一種無線電接收器，其中我們可以改變盒子的尺寸。”通過改變光子腔的尺寸，它將能夠感知由暗物質產生的不同波長的光子。

這些新的藍寶石光子腔將有助於帶領團隊更接近運行暗物質實驗，這些實驗結合了物理學和量子科學的各個方面。

“能住在盒子裡的波是由盒子的整體尺寸決定的。為了改變我們想要尋找的暗物質的哪些頻率和哪些波長，我們實際上必須改變盒子的大小，”周說。”這就是我們目前正在做的工作；我們已經創建了盒子，我們可以改變它的不同部分的長度，以便能夠在不同的頻率上調諧暗物質。”

研究人員還在開發由不同材料製成的腔體。傳統的鋁製光子腔在存在從暗物質粒子產生光子所必需的磁場時，會失去其超導性。”這些腔體不能在高磁場中生存，高磁場破壞了超導性，所以我們用合成藍寶石製成了一個新的空腔。”

開發這些新的、可調諧的藍寶石光子腔將使該團隊更接近於運行暗物質實驗，該實驗結合了物理學和量子科學的各個方面。