Тёмная материя, хотя и невидима, предположительно составляет большую часть общей массы Вселенной. Одна из теорий предполагает, что сверхлёгкая тёмная материя ведёт себя как непрерывная волна, которая может оказывать ритмические воздействия, обнаруживаемые только с помощью сверхчувствительных квантовых инструментов.
Новое исследование
Новое исследование, опубликованное в Physical Review Letters под руководством физика Кристофера Таннелла из Университета Райса и постдокторанта Дориана Амараля, описывает первый прямой поиск сверхлёгкой тёмной материи с помощью магнитно-левитируемой частицы.
В сотрудничестве с физиками из Лейденского университета команда подвесила микроскопический неодимовый магнит внутри сверхпроводящего корпуса, охлаждённого почти до абсолютного нуля. Такая установка была разработана для обнаружения едва заметных колебаний, которые, как считается, вызваны проходящими через Землю волнами тёмной материи.
Результаты исследования
Исследователи контролировали левитируемый магнит с невероятной точностью, используя датчики, способные обнаруживать движения меньше ширины атома водорода. Несмотря на эту чувствительность, они не обнаружили ожидаемого сигнала. Однако этот нулевой результат позволил физикам исключить конкретное взаимодействие между тёмной материей и обычной материей.
Они сосредоточились на обнаружении сил, возникающих в результате взаимодействий тёмной материи, которые различаются в зависимости от барионных и лептонных чисел, или сохраняющихся квантовых чисел в физике частиц, которые остаются постоянными при взаимодействиях частиц в рамках теоретической модели, известной как B−L. Их поиск был нацелен на узкую полосу частот около 26,7 Гц, устанавливая новые пределы силы этих взаимодействий и новую технологию для тёмной материи.
Будущие эксперименты
На основе этих результатов исследовательская группа предложила эксперимент следующего поколения под названием Polonaise, направленный на повышение чувствительности и расширение поиска тёмной материи. Название является отсылкой к танцу, который исполнили профессора физики во время климатического протеста и осознали, что такое измерение возможно. Эта новая установка будет включать более тяжёлые магниты, более стабильную левитацию и более широкий частотный охват.
Эксперимент предназначен для исследования областей теоретического ландшафта, которые не исследовались текущими детекторами, стремясь идентифицировать ультраслабые силы в наиболее спокойных средах.
Развитие технологии квантовых вычислений
Разработка технологии, которая позволяет квантовой информации быть одновременно стабильной и доступной, является критически важной задачей в создании полезных квантовых компьютеров, работающих в масштабе. Исследование, опубликованное в журнале Nature, открывает путь к масштабированию количества квантовых транзисторов (известных как кубиты) на чипе от текущих чисел менее 100 до миллионов, необходимых для превращения квантовых вычислений в практическую реальность.
Достижения в области квантовых вычислений
Ведущий исследователь профессор Дэвид Рейли из Института нанотехнологий Университета Сиднея и Школы физики сказал: «Это перенесёт нас из области, где квантовые компьютеры являются увлекательными лабораторными машинами, в стадию, когда мы сможем начать открывать реальные проблемы, которые эти устройства могут решить для человечества».
Команда разработала кремниевый чип, который может управлять спиновыми кубитами при температурах в милликельвинах. Это чуть выше абсолютного нуля (−273,15 градуса Цельсия), температуры, при которой теоретически материя перестаёт двигаться.
Эксперты считают, что спиновые кубиты (где информация кодируется в магнитном направлении одиночных электронов) могут быть более легко масштабированы, поскольку они основаны на распространённой технологии CMOS (комплементарный металл-оксид-полупроводник), которая лежит в основе современных традиционных вычислений и уже используется для печати миллиардов транзисторов.
Однако спиновые кубиты необходимо поддерживать при температурах ниже 1 кельвина для сохранения их информации. Для масштабирования их необходимо также контролировать и измерять с помощью сложной интегрированной электроники. Это вызвало серьёзную озабоченность тем, что даже если система управления сможет работать при такой температуре, тепло и электрические помехи, создаваемые размещением управления так близко к кубитам, ухудшат их производительность.
Команда профессора Рейли впервые показала, что при тщательном проектировании этого не должно быть. Это жизненно важная демонстрация принципа работы, которая доказывает, что спиновые кубиты в CMOS могут быть масштабированы до миллионов кубитов для создания полезной машины.
Профессор Рейли сказал: «Этот результат был результатом более чем десятилетних усилий, направленных на накопление ноу-хау для проектирования электронных систем, которые рассеивают крошечные количества энергии и работают вблизи абсолютного нуля. Мы продемонстрировали масштабируемую платформу управления, которую можно интегрировать с кубитами без разрушения хрупких квантовых состояний».
Коммерциализация квантовых технологий
Профессор Рейли добавил: «Здесь мы показываем влияние, которое криогенная электроника может оказать на масштабирование кубитов, но мы видим множество других разнообразных применений этой технологии, охватывающих краткосрочные сенсорные системы и центры обработки данных будущего».
Доктор Сэм Барти, который проводил эксперименты в качестве аспиранта с профессором Рейли в Университете Сиднея, теперь работает в Diraq. Он сказал: «Это чрезвычайно захватывающе — быть частью этой работы, участвовать в разработке таких мощных технологий и находиться в этом центре исследований квантовых вычислений. Сидней действительно замечательное место, чтобы быть квантовым инженером в данный момент».
Доктор Кушал Дас был ведущим разработчиком управляющего чипа. Он занимает совместную должность в Университете Сиднея и Emergence Quantum.