近日,中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)基于超導(dǎo)量子比特體系,提出可擴(kuò)展的暗物質(zhì)搜尋架構(gòu),并在多比特超導(dǎo)量子芯片上完成原理性實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。

現(xiàn)代天文學(xué)與宇宙學(xué)觀測(cè)表明,暗物質(zhì)約占宇宙總質(zhì)量25%。近年來,以軸子和暗光子為代表的超輕玻色子暗物質(zhì)成為備受關(guān)注的暗物質(zhì)候選者。理論預(yù)言,超輕暗物質(zhì)的可能質(zhì)量范圍約為1至100μeV,且與普通物質(zhì)之間僅存在極微弱的相互作用。國際上已開展一系列超輕暗物質(zhì)搜尋的實(shí)驗(yàn)研究,但面臨測(cè)量范圍與探測(cè)靈敏度難以兼顧的技術(shù)挑戰(zhàn)。

該研究提出利用超導(dǎo)量子比特直接搜尋超輕暗物質(zhì)的實(shí)驗(yàn)架構(gòu)。研究利用微納加工技術(shù),在單個(gè)芯片上集成多個(gè)頻率可調(diào)的超導(dǎo)量子比特,形成可擴(kuò)展的暗物質(zhì)搜尋架構(gòu)。這一架構(gòu)可對(duì)暗物質(zhì)多能區(qū)同步開展高靈敏掃描探測(cè),有望解決測(cè)量范圍與靈敏度難以兼顧的問題。同時(shí),研究設(shè)計(jì)制作了三比特超導(dǎo)量子芯片,可同時(shí)對(duì)15.632-15.638、15.838-15.845及16.463-16.468μeV三個(gè)能區(qū)的暗光子進(jìn)行搜尋,并給出相應(yīng)區(qū)間內(nèi)最嚴(yán)格的暗光子-光子耦合界限。研究發(fā)現(xiàn),實(shí)驗(yàn)結(jié)果相較此前基于天文觀測(cè)的界限提升了1至2個(gè)數(shù)量級(jí)。

這一工作展示了超導(dǎo)量子比特在粒子物理領(lǐng)域的應(yīng)用前景,為未來實(shí)現(xiàn)更寬質(zhì)量區(qū)間、更高精度的暗物質(zhì)探測(cè)奠定了基礎(chǔ)。

10月29日,相關(guān)研究成果發(fā)表在《物理評(píng)論快報(bào)》(Physical Review Letters)上。研究工作得到國家自然科學(xué)基金委員會(huì)和科學(xué)技術(shù)部等的支持。

論文鏈接：https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/9p1t-vc9j

(a)可擴(kuò)展的暗物質(zhì)搜尋架構(gòu)的預(yù)期界限;(b)原理性驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)給出的界限