在浩瀚黑暗的宇宙中，潛藏著一種看不見的物質。星系的起伏漣漪中可以看到它的存在，但它從未被直接觀測到過。在它的表面之下，在它的深處，醞釀著怎樣的秘密呢？由全球機構組成的”暗量子”（DarkQuantum）聯盟正在利用量子技術，試圖透過探測難以捉摸的軸心粒子來揭開暗物質的神秘面紗。阿爾託大學的研究人員將利用靈敏度空前的量子探測器來探索暗物質的秘密。

長期以來，物理學家一直在推測暗物質的組成，暗物質的含量被認為是普通物質的五倍。在各種相互競爭的假說中，有一種粒子成為了有希望的候選者：軸子。

阿爾託大學（Aalto University）的科學家們正著手進行一個為期六年的項目，尋找軸子存在的證據。他們將作為一個新成立的名為”暗量子”（DarkQuantum）的聯盟的一部分，與薩拉戈薩大學的研究人員（該項目的協調者）、法國國家科學研究中心的研究人員、卡爾斯魯厄理工學院以及其他合作機構的研究人員一起進行這項工作。

這個新的聯盟將成為第一個利用最新量子技術製造具有前所未有的掃描靈敏度的感測器的聯盟。DarkQuantum 於10 月26 日獲得歐洲研究理事會頒發的1,290 萬歐元獎金，其中約200 萬歐元用於阿爾託大學高級講師兼講師Sorin Paraoanu 及其超導微ubits 和電路QED (KVANTTI) 研究小組。

研究人員將利用量子技術開發世界上最靈敏的探測器之一。圖片來源：Mikko Raskinen/阿爾託大學

“我們正在窺探一個深不見底的深淵。如果存在軸子，它就超越了基本粒子的標準模型，”Paraoanu說。”這種觀測的意義堪比2010年代初發現的希格斯玻色子。但至少在發現希格斯玻色子時，他們知道從哪裡開始尋找！”

薩拉戈薩大學教授伊戈爾-加西亞-伊拉斯托爾薩（Igor Garcia Irastorza）補充說：”暗物質的性質是現代科學中最大的謎團之一。如果暗物質是由軸子構成的，我們真的有機會透過這個專案探測到它。”

雖然過去也曾嘗試過觀測軸子，但最新的嘗試將利用量子現象，使研究人員能夠更好地過濾噪音，並以更高的保真度重複實驗。這正是帕拉奧阿努和他的團隊的用武之地。

把鏡頭拉近銀河系的一個小角落，在橫跨西班牙和法國邊境的山脈深處。這裡是坎弗朗克地下實驗室（Canfranc Underground Laboratory）的所在地，DarkQuantum 研究人員計畫建造的高頻感測器就在這裡。另一個低頻感測器將位於漢堡的德國電子同步加速器（DESY）。

Paraoanu和他的KVANTTI小組主要負責建造和調整高頻感測器，以及編寫使用它的演算法和軟體。這個感測器被稱為”光暈鏡”，將探測銀河系光暈的深處以尋找軸子。

將感測器置於地下深處有助於消除宇宙背景輻射，而且它可能為同時研究量子運算的某些降噪技術提供一個獨特的機會。

“我們的高頻感測器將比以前的迭代產品靈敏10-100 倍，能夠掃描幾微電子伏的尺度。它將使用超導量子位元–與量子電腦中使用的量子位元相同–但它們在這個光鏡中將扮演不同的探測器角色，”Paraoanu說。

先前探測軸子的嘗試使用的是線性放大器，這種放大器往往會引入噪聲，並有效地將粒子吸收到系統中。Paraoanu的感測器將依靠量子非爆破測量，這樣就可以用相同的粒子進行重複實驗。

“理論表明，在超冷環境中，我們可以引入一個磁場，使存在的軸子衰變為光子。如果我們在空腔中探測到任何光子，那麼我們就可以斷定係統中存在軸子，而且它們確實存在，”Paraoanu 說。

歐洲研究理事會的協同增效基金聲譽卓著，Paraoanu和他的團隊是阿爾託大學歷史上第二位獲得該基金的人，第一位獲得者是Risto Ilmoniemi教授，用於他正在進行的ConnectToBrain項目。

這個為期六年的計畫將分為兩個部分：一個是為期四年的擴大規模階段，包括光鏡的建造、調試和運輸；另一個是為期兩年的實驗階段，團隊將在這一階段收集數據。帕拉奧阿努預計，未來幾年該計畫將有多個研究員職位空缺。

協同資助計畫中指定的其他合作機構包括馬克斯-普朗克科學促進會、卡塔赫納理工大學和西班牙國家研究委員會。