中新網(wǎng)深圳4月30日電 (記者 索有為)記者30日從深圳國(guó)際量子研究院獲悉，在中國(guó)科學(xué)院院士俞大鵬的帶領(lǐng)下，該院研究員徐源、劉松聯(lián)合北京大學(xué)教授舒菁，在暗光子暗物質(zhì)搜尋領(lǐng)域取得重要實(shí)驗(yàn)進(jìn)展。
研究團(tuán)隊(duì)在高品質(zhì)因子鈮基超導(dǎo)微波諧振腔中開(kāi)發(fā)出基于四腳薛定諤貓態(tài)的暗光子暗物質(zhì)探測(cè)方案，實(shí)現(xiàn)量子增強(qiáng)的暗物質(zhì)搜尋，為下一代高靈敏度暗光子暗物質(zhì)搜尋實(shí)驗(yàn)奠定了重要技術(shù)基礎(chǔ)。相關(guān)成果于29日發(fā)表在《物理評(píng)論快報(bào)》上。
暗物質(zhì)是宇宙的重要組成成分，雖然其存在性已被諸多天文學(xué)和宇宙學(xué)方面的觀測(cè)證據(jù)所證實(shí)，然而它的微觀性質(zhì)仍是現(xiàn)代物理學(xué)中的一大未解之謎。
基于貓態(tài)的量子增強(qiáng)暗物質(zhì)搜尋概念圖。研究團(tuán)隊(duì)供圖研究團(tuán)隊(duì)開(kāi)發(fā)出基于高品質(zhì)因子鈮基超導(dǎo)微波諧振腔的量子增強(qiáng)暗物質(zhì)探測(cè)器，用于探測(cè)彌漫在空間中的超輕波動(dòng)性暗光子暗物質(zhì)。
研究團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)，當(dāng)暗光子的質(zhì)量與探測(cè)器的共振頻率相匹配時(shí)，暗光子將以正比于動(dòng)力學(xué)混合角的概率轉(zhuǎn)化為諧振腔中的普通光子，從而被探測(cè)到。通過(guò)探測(cè)諧振腔中光子產(chǎn)生速率，便可推算暗光子動(dòng)力學(xué)混合角的上限。
該研究開(kāi)發(fā)了基于四腳薛定諤貓態(tài)的暗物質(zhì)探測(cè)實(shí)驗(yàn)方案，實(shí)現(xiàn)量子增強(qiáng)的高靈敏度暗光子暗物質(zhì)搜尋。四腳貓態(tài)的模四宇稱(chēng)性質(zhì)使探測(cè)器具備區(qū)分光子產(chǎn)生信號(hào)和諧振腔單光子丟失錯(cuò)誤的能力，從而提升了光子探測(cè)的信噪比。
同時(shí)，研究團(tuán)隊(duì)在實(shí)驗(yàn)中成功制備出高保真度的四腳薛定諤貓態(tài)作為探測(cè)初態(tài)，并利用重復(fù)的量子非破壞性宇稱(chēng)測(cè)量以及隱馬爾可夫模型分析等手段對(duì)探測(cè)器進(jìn)行了系統(tǒng)表征。通過(guò)提高四腳貓態(tài)的平均光子數(shù)，實(shí)驗(yàn)展示了相比于真空態(tài)提升了高達(dá)8.1倍的光子產(chǎn)生速率，極大地提高了暗光子探測(cè)效率。
在此基礎(chǔ)上，團(tuán)隊(duì)開(kāi)展了暗光子暗物質(zhì)的搜尋實(shí)驗(yàn)研究，通過(guò)測(cè)量暗物質(zhì)的相干積分信號(hào)，最終實(shí)現(xiàn)在6.44 GHz頻率下對(duì)暗光子動(dòng)力學(xué)混合角高達(dá)7.32×10^{-16}的限制。
此外，團(tuán)隊(duì)進(jìn)一步開(kāi)發(fā)了基于失諧邊帶驅(qū)動(dòng)的頻率調(diào)節(jié)方法，并應(yīng)用于暗光子暗物質(zhì)的掃頻探測(cè)，利用不同頻率下測(cè)得的光子產(chǎn)生速率聯(lián)合分析進(jìn)一步壓低背景噪聲，實(shí)現(xiàn)了在100 kHz頻率范圍內(nèi)的高靈敏度暗物質(zhì)搜尋，獲得了10^{-16}量級(jí)的暗光子動(dòng)力學(xué)混合角限制，優(yōu)于之前相關(guān)研究結(jié)果1個(gè)數(shù)量級(jí)以上。
據(jù)悉，該成果有望進(jìn)一步推動(dòng)量子增強(qiáng)精密測(cè)量技術(shù)在未來(lái)暗物質(zhì)搜尋等前沿基礎(chǔ)物理領(lǐng)域中的重要應(yīng)用。(完)