科学家们无法直接观察暗物质，因此为了“看到”它，他们寻找它通过产生可见光子与其他物质相互作用的信号。然而，来自暗物质的信号非常微弱。如果科学家能够使粒子探测器更容易接收这些信号，他们就可以增加发现的可能性，并缩短到达那里的时间。一种方法是激发光子的发射。
近日，美国能源部费米国家加速器实验室（Fermilab）和芝加哥大学的科学家报告称，他们能够使用新的量子技术将暗物质波的信号增强2.78倍。这项技术展示了量子信息科学的进步如何应用于量子计算应用，以及新的物理发现。
这一令人兴奋的结果是由美国能源部的量子信息科学发现计划和Heising Simons基金会促成的。芝加哥大学研究生Ankur Agrawal在费米实验室科学家Aaron Chou的指导下，与芝加哥大学David Schuster教授的团队成员合作，为他的博士论文进行了这项研究。研究结果最近发表在《Physical Review Letters》上。
在这个实验中，研究人员首先制备了一个特殊量子态的微波腔。然后，他们使用超导量子比特或量子位来提高该腔内的测量灵敏度，这样他们就可以更容易地检测到任何表明暗物质存在的信号。
Schuster说：“有两种方法可以加快实验速度；你可以收集更多的信号或减少噪音。”。“在这个实验中，我们使用量子比特来做这两件事，准备一种刺激光子产生的量子态光，然后使用量子比特多次探测光子的确切数量，而不会破坏任何光子以消除多余的噪声。”
研究人员使用被称为Fock状态的超导量子比特制备了微波腔。这些量子Fock态具有明确的光子数量，Fock态越高，暗物质相互作用的可能性就越大。通过这种方式制备腔，当暗物质穿过微波腔壁时，相互作用将导致暗物质产生的额外光子被泵入腔或从腔中移除。多一个或少一个光子的存在表明光子受到了暗物质的刺激。
Agrawal说：“这个实验很好地展示了我们在量子力学课程中学到的关于量子态的第一件事，结果证实了我所学到的。”。
实验的第二部分涉及以降低噪声的方式设计量子比特和腔之间的相互作用。在微波频率下，每个光子都有少量的能量，这使得它们对周围环境的噪声非常敏感。为了尽量减少热光子压倒信号，研究人员用稀释冰箱冷却这个腔，温度是开尔文的百分之一，比外太空低100倍。
使用超导量子比特使他们能够以将噪声降低到极低水平的方式设计相互作用，从而提高灵敏度。
“对于这项技术，我们设计了量子比特-光子相互作用，这样光子在测量过程中就不会被破坏，”费米实验室研究小组的科学家Akash Dixit说。“这使我们能够多次测量同一光子，从而减少了噪声的影响，提高了我们对这些罕见事件的敏感性。”
整体技术就像推着孩子荡秋千。如果孩子没有摆动，你需要更用力地推她，让她动起来；但如果秋千已经在摆动了，你就不必那么用力了。
Chou说：“我们所做的是利用微波腔或探测器中的电磁场——摆动——让它开始摆动，这样它就可以更容易地受到经过的暗物质的推动。”。“这种受激发射过程实际上正是激光的工作原理。”
之前的实验是从腔内的零场或基态场开始的，相当于静止的摆动。
Agrawal说：“科学家们可以利用这项技术来提高灵敏度，以推进对暗物质的探索，节省时间和资源，并探索基础科学的其他奥秘。”。
