Experiment nutzt Quantentechniken zur Stimulation von Photonen und verbessert damit die Suche nach dunkler Materie

Wissenschaftler können dunkle Materie nicht direkt beobachten. Um sie zu „sehen“, suchen sie nach Signalen, die darauf hinweisen, dass sie mit anderer Materie interagiert hat und dabei ein sichtbares Photon erzeugt hat. Signale von dunkler Materie sind jedoch unglaublich schwach. Wenn Wissenschaftler einen Teilchendetektor für diese Signale empfänglicher machen können, können sie die Wahrscheinlichkeit einer Entdeckung erhöhen und die Zeit bis zum Ziel verkürzen. Eine Möglichkeit, dies zu erreichen, besteht darin, die Emission von Photonen anzuregen.

Wissenschaftler des Fermi National Accelerator Laboratory des US-Energieministeriums und der University of Chicago berichteten, dass sie mithilfe neuartiger Quantentechniken die Signale von Dunkle-Materie-Wellen um den Faktor 2,78 verstärken konnten. Diese Technologie zeigt, wie Fortschritte in der Quanteninformationswissenschaft nicht nur für Anwendungen im Quantencomputerbereich, sondern auch für neue physikalische Entdeckungen eingesetzt werden können.

Dieses spannende Ergebnis wurde durch das Quantum Information Science Enabled Discovery-Programm des DOE und die Heising-Simons Foundation ermöglicht. Ankur Agrawal, Doktorand an der University of Chicago, führte diese Forschung im Rahmen seiner Doktorarbeit durch, die vom Fermilab-Wissenschaftler Aaron Chou betreut wurde, in Zusammenarbeit mit Mitgliedern der Gruppe von Professor David Schuster an der University of Chicago. Die Ergebnisse wurden kürzlich veröffentlicht. veröffentlicht In Briefe zur körperlichen Überprüfung.

Für dieses Experiment bereiteten die Forscher zunächst einen Mikrowellenhohlraum in einem speziellen Quantenzustand vor. Dann verwendeten sie supraleitende Quantenbits oder Qubits, um die Messempfindlichkeit innerhalb dieses Hohlraums zu erhöhen, sodass sie Signale, die auf die Anwesenheit dunkler Materie hinweisen, leichter erkennen konnten.

„Es gibt zwei Möglichkeiten, ein Experiment zu beschleunigen: Man kann mehr Signale sammeln oder das Rauschen reduzieren“, sagte Schuster. „In diesem Experiment haben wir ein Qubit für beides verwendet: Wir haben einen Quantenzustand des Lichts vorbereitet, der die Erzeugung von Photonen stimuliert, und dann das Qubit verwendet, um die genaue Anzahl der Photonen mehrfach zu messen, ohne welche zu zerstören, um so übermäßiges Rauschen zu eliminieren.“

Die Forscher bereiteten den Mikrowellenhohlraum mit supraleitenden Qubits in einem sogenannten Fock-Zustand vor. Diese Quanten-Fock-Zustände haben eine genau definierte Anzahl von Photonen, und je höher der Fock-Zustand, desto wahrscheinlicher ist es, dass dunkle Materie interagiert. Indem sie den Hohlraum auf diese Weise vorbereiten, führt die Interaktion, wenn dunkle Materie durch die Mikrowellenhohlraumwand dringt, dazu, dass ein zusätzliches, von dunkler Materie erzeugtes Photon in den Hohlraum gepumpt oder aus ihm entfernt wird. Das Vorhandensein eines Photons mehr oder weniger zeigt an, dass das Photon durch dunkle Materie stimuliert wurde.

„Dieses Experiment ist eine wunderbare Demonstration eines der ersten Dinge, die wir in einem Kurs zur Quantenmechanik über Quantenzustände lernen, und die Ergebnisse bestätigen, was ich gelernt habe“, sagte Agrawal.

Der zweite Teil des Experiments bestand darin, die Wechselwirkung zwischen dem Qubit und dem Hohlraum so zu gestalten, dass das Rauschen reduziert wird. Bei Mikrowellenfrequenzen hat jedes Photon eine winzige Energiemenge, die es sehr empfindlich gegenüber dem Rauschen aus der Umgebung macht. Um zu verhindern, dass die thermischen Photonen das Signal überlagern, kühlen die Forscher diesen Hohlraum mit einem Verdünnungskühlschrank, in dem die Temperatur ein Hundertstel Kelvin beträgt – 100-mal kälter als im Weltraum.

Durch die Verwendung supraleitender Qubits konnten sie die Interaktion so gestalten, dass das Rauschen auf ein extrem niedriges Niveau reduziert und dadurch die Empfindlichkeit erhöht wurde.

„Für diese Technik konstruieren wir die Qubit-Photon-Wechselwirkung so, dass das Photon während des Messvorgangs nicht zerstört wird“, sagte Akash Dixit, ein Wissenschaftler, der Teil des Forschungsteams am Fermilab war. „Dadurch können wir dasselbe Photon viele Male messen, was den Einfluss von Rauschen verringert und unsere Empfindlichkeit gegenüber diesen seltenen Ereignissen erhöht.“

Die Technik ist im Großen und Ganzen so, als würde man ein Kind auf einer Schaukel anschubsen. Wenn das Kind nicht schaukelt, müssen Sie es viel stärker anschubsen, um es in Bewegung zu bringen. Wenn die Schaukel jedoch bereits schaukelt, müssen Sie nicht so stark anschubsen.

„Wir nehmen das elektromagnetische Feld in unserem Mikrowellenhohlraum oder -detektor – die Schwingung – und bringen es zum Schwingen, damit es leichter den Schub der vorbeifliegenden dunklen Materie aufnehmen kann“, sagte Chou. „Dieser Prozess der stimulierten Emission ist eigentlich genau die Funktionsweise von Lasern.“

Frühere Experimente begannen mit einem Null- oder Grundzustandsfeld innerhalb der Kavität, was dem Stillstand der Schaukel entspricht.

„Wissenschaftler können diese Technik nutzen, um die Empfindlichkeit zu erhöhen und so ihre Suche nach dunkler Materie voranzutreiben. Dadurch sparen sie Zeit und Ressourcen und können andere Geheimnisse der Grundlagenforschung erforschen“, sagte Agrawal.