Naučnici ne mogu direktno da posmatraju tamnu materiju, pa da bi je „videli“, traže signale da je stupila u interakciju sa drugom materijom stvarajući vidljiv foton. Međutim, signali tamne materije su neverovatno slabi. Ako naučnici mogu da učine detektor čestica prijemčivijim za ove signale, mogu povećati verovatnoću otkrića i skratiti vreme da se tamo stigne. Jedan od načina da se to uradi je da se stimuliše emisija fotona.
Naučnici iz Nacionalne akceleratorske laboratorije Fermi Ministarstva energetike i Univerziteta u Čikagu prijavili su sposobnost da pojačaju signale talasa tamne materije za faktor 2,78 koristeći nove kvantne tehnike. Ova tehnologija pokazuje kako se napredak u kvantnoj informatičkoj nauci može primeniti, ne samo na aplikacije kvantnog računarstva, već i na nova otkrića u fizici.
Ovaj uzbudljivi rezultat je omogućio DOE-ov program za otkrivanje kvantnih informacionih nauka i Fondacija Heising-Simons. Diplomirani student Univerziteta u Čikagu Ankur Agraval sproveo je ovo istraživanje za svoju doktorsku tezu pod nadzorom naučnika iz Fermilaba Aron Chou u saradnji sa članovima grupe profesora Davida Schustera na Univerzitetu u Čikagu. Rezultati su nedavno objavljeni u Phisical Reviev Letters.
Za ovaj eksperiment, istraživači su prvo pripremili mikrotalasnu šupljinu u posebnom kvantnom stanju. Zatim su koristili supravodljive kvantne bitove ili kubite da povećaju osetljivost merenja unutar te šupljine kako bi lakše otkrili sve signale koji ukazuju na prisustvo tamne materije.
„Postoje dva načina da se ubrza eksperiment; možete prikupiti više signala ili smanjiti šum“, rekao je Šuster. „U ovom eksperimentu smo koristili kubit da uradimo oboje, pripremajući kvantno stanje svetlosti koje stimuliše stvaranje fotona, a zatim koristimo kubit da ispitamo tačan broj fotona više puta bez uništavanja nijednog kako bismo eliminisali višak buke.“
Istraživači su pripremili mikrotalasnu šupljinu koristeći supravodljive kubite u onome što je poznato kao Fokovo stanje. Ova kvantna Fokova stanja imaju dobro definisan broj fotona, i što je Fokovo stanje veće, veća je verovatnoća da će tamna materija stupiti u interakciju. Pripremajući šupljinu na ovaj način, dok tamna materija prolazi kroz zid mikrotalasne šupljine, interakcija će izazvati dodatni foton proizveden od tamne materije koji se upumpa u šupljinu ili ukloni iz nje. Prisustvo jednog više ili manje fotona ukazuje na to da je foton bio stimulisan tamnom materijom.
„Ovaj eksperiment je prelepa demonstracija jedne od prvih stvari koje učimo na kursu kvantne mehanike o kvantnim stanjima, a rezultati potvrđuju ono što sam naučio“, rekao je Agraval.
Drugi deo eksperimenta uključivao je projektovanje interakcije između kubita i šupljine na takav način da se smanji buka. Na mikrotalasnim frekvencijama, svaki foton ima malu količinu energije što ga čini veoma osetljivim na buku iz okolnog okruženja. Da bi sveli na minimum termalne fotone koji bi nadjačali signal, istraživači hlade ovu šupljinu pomoću frižidera za razblaživanje u kome je temperatura stoti deo Kelvina – 100 puta hladnija od svemira.
Korišćenje superprovodnih kubita omogućilo im je da konstruišu interakciju na takav način da smanje buku na izuzetno niske nivoe, čime se povećava osetljivost.
„Za ovu tehniku, mi konstruišemo interakciju kubit-foton tako da foton ne bude uništen u procesu merenja“, rekao je Akaš Diksit, naučnik koji je bio deo istraživačkog tima u Fermilabu. „Ovo nam omogućava da izmerimo isti foton mnogo puta, što smanjuje uticaj buke i povećava našu osetljivost na ove retke događaje.“
Ukupna tehnika je kao da gurate dete na ljuljašku. Ako se dete ne ljulja, potrebno je da ga gurnete mnogo jače da biste ga pokrenuli; ali ako se zamah već ljulja, ne morate toliko da gurate.
„Ono što radimo je da uzmemo elektromagnetno polje u našoj mikrotalasnoj šupljini ili detektoru – zamahu – i nateramo ga da počne da se ljulja kako bi lakše mogao da podnese pritisak od tamne materije koja prolazi“, rekao je Čou. „Ovaj proces stimulisane emisije je zapravo tačno kako rade laseri.“
Prethodni eksperimenti su započeli sa nultim poljem ili poljem u osnovnom stanju unutar šupljine, što je ekvivalent zamahu koji stoji na mestu.
„Naučnici mogu da koriste ovu tehniku da povećaju osetljivost da unaprede svoju potragu za tamnom materijom, štedeći vreme i resurse i da istraže druge misterije fundamentalne nauke“, rekao je Agraval.
