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実験では量子技術を使用して光子を刺激し、暗黒物質の探索を強化します

元シカゴ大学のポスドク研究員であるアカシュ・ディクシット氏は、フェルミ国立加速器研究所の光子放出刺激プロジェクトに参加した。写真提供：ライアン・ポステル、フェルミ国立加速器研究所 科学者は暗黒物質を直接観察することはできないため、それを「見る」ために、可視光子を生成して暗黒物質が他の物質と相互作用したという信号を探します。しかし、暗黒物質からの信号は信じられないほど弱いです。科学者がこれらの信号に対する感度を高めた粒子検出器を開発できれば、発見の可能性を高め、発見までの時間を短縮することができます。これを行う方法の 1 つは、光子の放出を刺激することです。 米国エネルギー省フェルミ国立加速器研究所とシカゴ大学の科学者らは、新しい量子技術を用いて暗黒物質波からの信号を 2.78 倍に増幅できることを報告した。この技術は、量子情報科学の進歩が量子コンピューティングの応用だけでなく、新しい物理学の発見にも応用できることを示している。 この素晴らしい結果は、米国エネルギー省の量子情報科学による発見プログラムとハイジング・サイモンズ財団によって可能になった。シカゴ大学の大学院生アンクル・アグラワルは、フェルミ国立加速器研究所の科学者アーロン・チョウの指導の下、シカゴ大学のデイビッド・シュスター教授のグループのメンバーと共同で博士論文のためにこの研究を行った。この結果は最近、 物理レビューレター。 この実験のために、研究者らはまず特殊な量子状態のマイクロ波空洞を準備した。次に、超伝導量子ビット（キュービット）を使用して空洞内の測定感度を高め、暗黒物質の存在を示す信号をより簡単に検出できるようにした。 「実験をスピードアップする方法は 2 つあります。より多くの信号を集めるか、ノイズを減らすかです」とシュスター氏は言います。「この実験では、量子ビットを使ってその両方を行いました。光子の生成を促す光の量子状態を準備し、次に量子ビットを使って光子の正確な数を複数回調べ、光子を破壊せずに余分なノイズを除去しました。」 研究者らは、フォック状態と呼ばれる超伝導量子ビットを使用してマイクロ波空洞を準備しました。これらの量子フォック状態は、明確に定義された数の光子を持ち、フォック状態が高いほど、暗黒物質が相互作用する可能性が高くなります。このように空洞を準備することで、暗黒物質がマイクロ波空洞の壁を通過するときに、相互作用により暗黒物質によって生成された余分な光子が空洞に注入されるか、空洞から除去されます。光子が 1 つ多いか 1 つ少ないということは、光子が暗黒物質によって刺激されたことを示しています。 「この実験は、量子力学の授業で量子状態について最初に学ぶことの一つを美しく実証しており、結果は私が学んだことを裏付けている」とアグラワル氏は語った。 実験の 2 番目の部分では、量子ビットとキャビティ間の相互作用を設計してノイズを減らすことに取り組みました。マイクロ波周波数では、各光子のエネルギーはごくわずかであるため、周囲の環境からのノイズに非常に敏感です。熱光子が信号を圧倒するのを最小限に抑えるために、研究者は希釈冷凍機でこのキャビティを冷却します。温度は 100 分の 1 ケルビンで、宇宙空間の 100 倍低温です。 超伝導量子ビットを使用することで、ノイズを極めて低いレベルまで低減し、感度を高めるような方法で相互作用を設計することが可能になりました。 「この技術では、量子ビットと光子の相互作用を設計し、測定の過程で光子が破壊されないようにしています」とフェルミ国立加速器研究所の研究チームの一員である科学者のアカーシュ・ディクシット氏は語る。「これにより、同じ光子を何度も測定できるようになり、ノイズの影響が軽減され、こうしたまれな事象に対する感度が高まります。」 全体的なテクニックは、ブランコに乗っている子供を押すようなものです。子供がブランコに乗っていない場合は、子供を動かすためにもっと強く押す必要がありますが、ブランコがすでに揺れている場合は、それほど強く押す必要はありません。 「私たちがやっているのは、マイクロ波キャビティまたは検出器内の電磁場（スイング）を振動させて、通過する暗黒物質からの圧力をより受けやすくすることです」とチョウ氏は言う。「この誘導放出のプロセスは、実はレーザーの仕組みとまったく同じです。」 これまでの実験は、ブランコが静止しているのと同等の、空洞内のゼロ、つまり基底状態の磁場から始まりました。 「科学者はこの技術を使って感度を高め、暗黒物質の探査を進め、時間と資源を節約し、基礎科学の他の謎を探ることができる」とアグラワル氏は語った。 詳しくは： Ankur Agrawal 他「暗黒物質波からの信号光子の誘導放出」…