中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)提出一種搜尋暗物質(zhì)的新架構(gòu)

中國教育報(bào)-中國教育新聞網(wǎng)訊（記者 方夢宇）記者近日從中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)獲悉，該校高級工程師周經(jīng)緯、教授榮星等人基于超導(dǎo)量子比特體系，提出一種可擴(kuò)展的暗物質(zhì)搜尋架構(gòu)，并成功在多比特超導(dǎo)量子芯片上完成了原理性實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。10月29日，該研究成果發(fā)表于《物理評論快報(bào)》。

現(xiàn)代天文學(xué)與宇宙學(xué)觀測表明，暗物質(zhì)約占宇宙總質(zhì)量的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)可能的質(zhì)量范圍約為1-100微電子伏特，并且與普通物質(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，但是仍面臨測量范圍與探測靈敏度難以兼顧的技術(shù)挑戰(zhàn)：共振式探測器靈敏度高但探測帶寬有限，非共振式探測器雖覆蓋范圍廣卻靈敏度不足。

針對這一挑戰(zhàn)，研究團(tuán)隊(duì)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)：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)。該架構(gòu)可以實(shí)現(xiàn)對暗物質(zhì)多能區(qū)同步開展高靈敏掃描探測，從而有望解決測量范圍與靈敏度難以兼顧的問題。研究團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)制作了三比特超導(dǎo)量子芯片，可以同時(shí)對15.632-15.638、15.838-15.845及16.463-16.468微電子伏特3個(gè)能區(qū)的暗光子進(jìn)行搜尋，并給出了相應(yīng)區(qū)間內(nèi)最嚴(yán)格的暗光子-光子耦合界限，實(shí)驗(yàn)結(jié)果相較此前基于天文觀測的界限提升了1至2個(gè)數(shù)量級。

這項(xiàng)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)探測提供了基礎(chǔ)。