ควอนตัม เกือบ 1 ศตวรรษหลังจากเสนอสสารมืดเป็นครั้งแรกเพื่ออธิบายการเคลื่อนที่ของกระจุกดาราจักร นักฟิสิกส์ก็ยังไม่รู้ว่ามันทำมาจากอะไร นักวิจัยทั่วโลกได้สร้างเครื่องตรวจจับหลายสิบเครื่อง ด้วยความหวังที่จะค้นพบสสารมืด ในฐานะนักศึกษาระดับบัณฑิตศึกษาเราได้ช่วยออกแบบ และควบคุมอุปกรณ์ตรวจจับเหล่านี้ ซึ่งมีชื่อว่า HAYSTAC แต่แม้จะมีความพยายามในการทดลองมาหลายทศวรรษ นักวิทยาศาสตร์ก็ยังไม่สามารถระบุอนุภาคสสารมืดได้
ขณะนี้การค้นหาสสารมืดได้รับความช่วยเหลือ ที่ไม่น่าเป็นไปได้จากเทคโนโลยีที่ใช้ในการวิจัยคอมพิวเตอร์ควอนตัม ในบทความใหม่ที่ตีพิมพ์ในวารสารธรรมชาติ เพื่อนร่วมงานของเราในทีม HAYSTAC และเราอธิบายว่าเราใช้กลอุบาย ควอนตัม เล็กน้อย เพื่อเพิ่มอัตราที่เครื่องตรวจจับของเราสามารถค้นหาสสารมืดเป็น 2 เท่าได้อย่างไร ผลลัพธ์ของเราเพิ่มความเร็วที่จำเป็นมากในการตามล่าหาอนุภาคลึกลับนี้ การสแกนหาสัญญาณสสารมืด
มีหลักฐานที่น่าสนใจจากฟิสิกส์ดาราศาสตร์ และจักรวาลวิทยาว่าสสารที่ไม่รู้จักซึ่งเรียกว่าสสารมืดมีสสารมากกว่าร้อยละ 80 ในเอกภพ นักฟิสิกส์เชิงทฤษฎีได้เสนออนุภาคพื้นฐานใหม่หลายสิบชนิด ที่สามารถอธิบายสสารมืดได้ แต่เพื่อตัดสินว่าทฤษฎีใดถูกต้อง นักวิจัยจำเป็นต้องสร้างเครื่องตรวจจับที่แตกต่างกัน เพื่อทดสอบแต่ละทฤษฎี ทฤษฎีที่โดดเด่นประการหนึ่งเสนอว่าสสารมืด ถูกสร้างขึ้นจากอนุภาคสมมุติฐานที่เรียกว่า axions
ซึ่งมีพฤติกรรมรวมกันเหมือนคลื่นที่มองไม่เห็น ซึ่งสั่นด้วยความถี่ที่เฉพาะเจาะจงมากผ่านจักรวาล เครื่องตรวจจับ Axion รวมถึง HAYSTAC ทำงานบางอย่างเช่นเครื่องรับวิทยุ แต่แทนที่จะแปลงคลื่นวิทยุเป็นคลื่นเสียง พวกมันมีเป้าหมายที่จะแปลงคลื่น axion เป็นคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้า โดยเฉพาะอย่างยิ่งเครื่องตรวจจับ axion จะวัดปริมาณ 2 ปริมาณที่เรียกว่าพื้นที่สี่เหลี่ยมจัตุรัสของสนามแม่เหล็กไฟฟ้า
พื้นที่สี่เหลี่ยมจัตุรัสเหล่านี้เป็นการสั่น 2 แบบที่แตกต่างกันในคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าที่จะเกิดขึ้นหากมีแกน ความท้าทายหลักในการค้นหาแกน คือไม่มีใครรู้ความถี่ของคลื่นแกนสมมุติ ลองนึกภาพว่าคุณอยู่ในเมืองที่ไม่คุ้นเคย และกำลังค้นหาสถานีวิทยุแห่งใดแห่งหนึ่งด้วยการค้นหาคลื่นความถี่ FM ทีละความถี่ นักค้นหา Axion ทำสิ่งเดียวกันมากพวกเขาปรับแต่งเครื่องตรวจจับในช่วงความถี่ที่หลากหลายเป็นขั้นตอนแยกกัน แต่ละขั้นตอนสามารถครอบคลุมช่วงความถี่ axion
ซึ่งเป็นไปได้เพียงเล็กน้อยเท่านั้น ช่วงเล็กๆนี้คือแบนด์วิดธ์ของเครื่องตรวจจับ การปรับจูนวิทยุมักเกี่ยวข้องกับการหยุดชั่วคราว 2 ถึง 3 วินาทีในแต่ละขั้นตอนเพื่อดูว่าคุณพบสถานีที่ต้องการหรือไม่ จะยากขึ้นหากสัญญาณอ่อนและมีไฟฟ้าสถิตมาก สัญญาณ axion แม้กระทั่งในเครื่องตรวจจับที่ไวที่สุด จะแผ่วเบาเป็นพิเศษเมื่อเทียบกับสัญญาณคงที่จากความผันผวนของคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าแบบสุ่ม ซึ่งนักฟิสิกส์เรียกว่าสัญญาณรบกวน
ยิ่งมีสัญญาณรบกวนมากเท่าใด อุปกรณ์ตรวจจับจะต้องนั่งนานขึ้นในแต่ละขั้นตอน การปรับจูนเพื่อฟังสัญญาณ axion น่าเสียดายที่นักวิจัยไม่สามารถวางใจได้ว่าจะรับสัญญาณแอกชั่นออกอากาศได้ หลังจากหมุนหน้าปัดวิทยุไป 2 ถึง 3 รอบ วิทยุ FM ปรับความถี่ได้ตั้งแต่ 88 ถึง 108 เมกะเฮิรตซ์ ในทางตรงกันข้าม ความถี่ axion อาจอยู่ระหว่าง 300 เฮิรตซ์ถึง 300 พันล้านเฮิรตซ์ ในอัตราที่เครื่องตรวจจับทุกวันนี้ กำลังดำเนินอยู่การค้นหาแกนหรือพิสูจน์ว่าไม่มีอยู่จริง
อาจใช้เวลามากกว่า 10,000 ปี บีบเสียงควอนตัม ในทีม HAYSTAC เราไม่มีความอดทนขนาดนั้น ดังนั้นในปี 2012 เราจึงเริ่มเร่งการค้นหา axion โดยทำทุกวิถีทางเพื่อลดสัญญาณรบกวน แต่ภายในปี 2017 เราพบว่าตัวเองกำลังก้าวข้ามขีด จำกัดเสียงขั้น ต่ำขั้นพื้นฐานเนื่องจากกฎของฟิสิกส์ควอนตัม ที่เรียกว่าหลักความไม่แน่นอน หลักการความไม่แน่นอนระบุว่าเป็นไปไม่ได้ ที่จะทราบค่าที่แน่นอนของปริมาณทางกายภาพบางอย่างพร้อมกัน
ตัวอย่างเช่นคุณไม่สามารถทราบทั้งตำแหน่ง และโมเมนตัมของอนุภาคได้ในเวลาเดียวกัน จำได้ว่าเครื่องตรวจจับ axion ค้นหา axion โดยการวัดพื้นที่สี่เหลี่ยมจัตุรัส 2 แห่ง ซึ่งเป็นการสั่นของสนามแม่เหล็กไฟฟ้าชนิดเฉพาะเหล่านั้น หลักการความไม่แน่นอนห้ามความรู้ที่แม่นยำของพื้นที่สี่เหลี่ยมจัตุรัสทั้ง 2 โดยเพิ่มปริมาณเสียงรบกวนให้น้อยที่สุด ในการแกว่งพื้นที่สี่เหลี่ยมจัตุรัส ในเครื่องตรวจจับแบบ axion ทั่วไป
เสียงควอนตัมจากหลักการความไม่แน่นอน จะบดบังพื้นที่สี่เหลี่ยมจัตุรัสทั้ง 2 เท่าๆกัน ไม่สามารถขจัดเสียงรบกวนนี้ได้ แต่ด้วยเครื่องมือที่เหมาะสมจะสามารถควบคุมได้ ทีมงานของเราหาวิธีที่จะสับเปลี่ยนเสียงควอนตัม ในเครื่องตรวจจับ HAYSTAC โดยลดผลกระทบต่อพื้นที่สี่เหลี่ยมจัตุรัสหนึ่ง ในขณะที่เพิ่มผลกระทบต่ออีกพื้นที่หนึ่ง เทคนิคการจัดการเสียงรบกวนนี้เรียกว่าการบีบควอนตัม ในความพยายามที่นำโดยนักศึกษาระดับบัณฑิตศึกษาเคลลี่ แบ็คส์และแดน พัลเคน
ทีมงาน HAYSTAC ได้รับมือกับความท้าทายในการใช้การบีบในเครื่องตรวจจับของเรา โดยใช้เทคโนโลยีวงจรตัวนำยิ่งยวด ที่ยืมมาจากการวิจัยคอมพิวเตอร์ ควอนตัม คอมพิวเตอร์ควอนตัมสำหรับใช้งานทั่วไปยังคงห่างไกลแต่เอกสารใหม่ของเราแสดงให้เห็นว่าเทคโนโลยีการบีบนี้ สามารถเร่งการค้นหาสสารมืดได้ทันที แบนด์วิธที่ใหญ่กว่าค้นหาได้เร็วกว่า ทีมงานของเราประสบความสำเร็จในการลดเสียงรบกวนในเครื่องตรวจจับ HAYSTAC
แต่เราใช้สิ่งนี้เพื่อเพิ่มความเร็วในการค้นหา axion ได้อย่างไร การบีบควอนตัมไม่ได้ลดเสียงรบกวนอย่างสม่ำเสมอ ทั่วทั้งแบนด์วิดท์ตัวตรวจจับ axion แต่จะมีเอฟเฟกต์ที่ใหญ่ที่สุดที่ขอบแทน สมมติว่าคุณปรับคลื่นวิทยุเป็น 88.3 เมกะเฮิรตซ์ แต่สถานีที่คุณต้องการอยู่ที่ 88.1 ด้วยการบีบควอนตัม คุณจะสามารถได้ยินเพลงโปรดของคุณที่เล่นห่างออกไป 1 สถานี ในโลกของวิทยุกระจายเสียงนี่อาจเป็นสูตรสำเร็จของหายนะ เพราะสถานีต่างๆจะรบกวนซึ่งกันและกัน
แต่ด้วยสัญญาณสสารมืดเพียงสัญญาณเดียวในการค้นหา แบนด์วิธที่กว้างขึ้นช่วยให้นักฟิสิกส์สามารถค้นหาได้เร็วขึ้น โดยครอบคลุมความถี่มากขึ้นในคราวเดียว ในผลลัพธ์ล่าสุดของเรา เราใช้การบีบเพื่อเพิ่มแบนด์วิดท์ของ HAYSTAC เป็น 2 เท่าทำให้เราสามารถค้นหา axions ได้เร็วกว่าที่เคยทำได้ถึง 2 เท่า การบีบควอนตัมเพียงอย่างเดียว ไม่เพียงพอที่จะสแกนทุกความถี่ของแอกซอน ที่เป็นไปได้ในเวลาที่เหมาะสม
แต่การเพิ่มอัตราการสแกนเป็น 2 เท่าเป็นก้าวสำคัญในทิศทางที่ถูกต้อง และเราเชื่อว่าการปรับปรุงเพิ่มเติม สำหรับระบบการบีบควอนตัมของเรา อาจทำให้เราสแกนได้เร็วขึ้น 10 เท่า ไม่มีใครรู้ว่า axions มีอยู่จริงหรือไม่ หรือพวกมันจะไขปริศนาของสสารมืดได้หรือไม่ แต่ด้วยการประยุกต์ใช้เทคโนโลยีควอนตัมที่คาดไม่ถึงนี้ เราจึงเข้าใกล้การตอบคำถามเหล่านี้ไปอีกก้าวหนึ่ง เบนจามิน บรูเบเกอร์เป็นเพื่อนหลังปริญญาเอกสาขาฟิสิกส์ควอนตัม ที่มหาวิทยาลัยโคโลราโดโบลเดอร์
บทความอื่นๆที่น่าสนใจ : นิวทริโน อธิบายความรู้การทดลองนิวทริโนและลำแสงของนิวทริโนใต้ดินลึก
