米国エネルギー省の画期的な進歩: 量子コンピューターによる暗黒物質の検出

Aug 22, 2023

フェルミ国立加速器研究所2022年12月6日

新たな進歩として、米国エネルギー省フェルミ研究所の科学者たちは、量子コンピューターを使用して暗黒物質を検出する方法を発見しました。

暗黒物質は宇宙の物質とエネルギーの約 27% を占めていますが、科学者はそれについてあまり知りません。 彼らは、地球が寒いこと、つまり暗黒物質を構成する粒子の動きが遅いことを知っています。 また、暗黒物質は光と相互作用しないため、直接検出することも困難です。 しかし、米国エネルギー省のフェルミ国立加速器研究所（フェルミラボ）の科学者たちは、量子コンピューターを使用して暗黒物質を探す方法を発見した。

Aaron Chou, a senior scientist at Fermilab, works on detecting dark matter through quantum science. As part of DOE's Office of High Energy Physics QuantISED program, he has developed a way to use qubits, the main component of quantum computingPerforming computation using quantum-mechanical phenomena such as superposition and entanglement." data-gt-translate-attributes="[{"attribute":"data-cmtooltip", "format":"html"}]">量子コンピューティング システム。強い磁場の存在下で暗黒物質によって生成される単一光子を検出します。

従来のコンピューターは、1 または 0 に設定されたバイナリ ビットを使用して情報を処理します。1 と 0 の特定のパターンにより、コンピューターは特定の機能とタスクを実行できます。 しかし、量子コンピューティングでは、重ね合わせとして知られる量子力学的特性により、量子ビットは読み取られるまで 1 と 0 の両方に同時に存在します。 この特性により、量子コンピューターは、古典的なコンピューターでは完了するまでに膨大な時間がかかる複雑な計算を効率的に実行できるようになります。

「量子ビットは、単一光子などの情報の単一励起を操作することによって機能します」とチョウ氏は述べた。 「したがって、単一励起のような小さなエネルギーのパケットを扱う場合、外部妨害の影響をはるかに受けやすくなります。」

Akash Dixit は、量子コンピューターを使用して暗黒物質を探すチームで働いています。 ここで、Dixit は超伝導量子ビットを含むマイクロ波空洞を保持しています。 電子レンジのドアのスクリーンに穴があるのと同じように、空洞の側面には穴があります。 穴は電子レンジが逃げるには小さすぎます。 クレジット: Ryan Postel、フェルミ研究所

量子ビットがこれらの量子レベルで動作するには、外部干渉から保護され、一貫して低温に保たれる、慎重に制御された環境に存在する必要があります。 量子コンピューターでは、ほんのわずかな外乱でもプログラムが狂ってしまう可能性があります。 Chou 氏は、その極めて高い感度により、量子コンピューターが暗黒物質を検出する方法を提供できることに気づきました。 彼は、他の暗黒物質検出器も量子コンピューターと同じ方法でシールドする必要があることを認識し、その考えをさらに固めました。

「量子コンピューターと暗黒物質検出器は両方とも厳重にシールドされている必要があり、飛び越えることができるのは暗黒物質だけです」とチョウ氏は述べた。 「それで、もし人々が同じ要件で量子コンピューターを構築しているのなら、私たちは『なぜそれらを暗黒物質検出器として使えないのですか?』と尋ねました。」

When dark matter particles traverse a strong magnetic field, they may produce photons that Chou and his team can measure with superconducting qubits inside aluminum photonA photon is a particle of light. It is the basic unit of light and other electromagnetic radiation, and is responsible for the electromagnetic force, one of the four fundamental forces of nature. Photons have no mass, but they do have energy and momentum. They travel at the speed of light in a vacuum, and can have different wavelengths, which correspond to different colors of light. Photons can also have different energies, which correspond to different frequencies of light." data-gt-translate-attributes="[{"attribute":"data-cmtooltip", "format":"html"}]">フォトンキャビティ。 量子ビットは他のすべての外部妨害から保護されているため、科学者が光子による妨害を検出すると、それは保護層を通って飛んだ暗黒物質の結果であると推測できます。

「これらの障害は、コンピューターに情報をロードしていないのに、デバイスを通過する粒子によってゼロが1に反転するなど、何らかの情報が表示されるというエラーとして現れます」と彼は言いました。

科学者のアーロン・チョウは、超伝導量子ビットと空洞を使用して暗黒物質を探索する実験を主導します。 クレジット: Reidar Hahn、フェルミ研究所

これまでのところ、Chou 氏と彼のチームは、この技術がどのように機能するか、そしてこのデバイスがこれらの光子に対して非常に敏感であることを実証してきました。 彼らの方法には、同じ光子の複数の測定を行って外乱が別の吸虫だけによって引き起こされたものではないことを確認できるなど、他のセンサーに比べて利点があります。 このデバイスは超低ノイズ レベルも備えているため、暗黒物質信号に対する感度を高めることができます。

量子コンピューターでは、ほんのわずかな外乱でもプログラムが狂ってしまう可能性があります。 アーロン・チョウは、その極めて高い感度により、量子コンピューターが暗黒物質を検出する方法を提供できることに気づきました。

「私たちは高エネルギー物理学コミュニティからこれらの調整可能なボックスの作り方を知っており、量子コンピューティング関係者と協力して、これらの量子ビットをセンサーとして使用するための技術を理解して移転しました」とChou氏は述べた。

今後、彼らは暗黒物質検出実験を開発し、装置の設計の改良を続ける予定です。

「この装置は、単一周波数の光子を保持するボックス内のセンサーをテストします」とチョウ氏は述べた。 「次のステップは、このボックスを改造して、ボックスの寸法を変更できる一種のラジオ受信機に変えることです。」

光子空洞の寸法を変更することで、暗黒物質によって生成される光子の異なる波長を感知できるようになります。

これらの新しいサファイア光子空洞は、チームを物理学と量子科学の両方の側面を組み合わせた暗黒物質実験の実行に近づけるのに役立ちます。 クレジット: Ankur Agrawal、シカゴ大学

「箱の中に存在できる波動は、箱全体のサイズによって決まります。探したい暗黒物質の周波数と波長を変更するには、実際に箱のサイズを変更する必要があります」と氏は述べた。チョウさん。 「それが私たちが現在行っている研究です。私たちは、さまざまな周波数の暗黒物質に同調できるように、さまざまな部分の長さを変更できるボックスを作成しました。」

研究者らは、さまざまな材料で作られた空洞の開発も行っている。 従来のアルミニウム光子空洞は、暗黒物質粒子から光子を生成するために必要な磁場の存在下で超伝導性を失います。

「これらの空洞は高磁場では生きられません」と彼は言う。 「強磁場は超伝導を破壊するので、合成サファイアで新しい空洞を作りました。」

これらの新しい調整可能なサファイア光子空洞を開発することで、チームは物理学と量子科学の両方の側面を組み合わせた暗黒物質実験の実行に近づくことになるでしょう。