用量子计算机寻找暗物质，我们该换一种思路开发量子计算机的用途

暗物质约占宇宙中所有物质和能量的27%，但科学家对它知之甚少，科学家们只能确定它的温度极低，这意味着构成暗物质的粒子运动非常缓慢，直接探测暗物质也很困难，因为它不与光相互作用。然而，美国能源部费米国家加速器实验室Fermilab的科学家发现了一种使用量子计算机寻找暗物质的方法。作为美国能源部高能物理量子计划办公室的一部分，这位来自费米实验室的科学家开发了一种方法，利用量子计算系统的主要组成部分量子比特，来探测暗物质产生的单个光子。经典计算机处理二进制位只有1或0，1和0的特定模式使计算机可以执行某些功能和任务。然而，在量子计算中，量子比特同时存在于1和0，直到它们被读取，这是由于量子力学性质——量子纠缠。这一特性允许量子计算机高效地执行复杂的计算，而经典计算机需要花费很多很多时间才能完成。“Qubits通过操纵信息的单激发（例如，单光子）来工作。所以，如果你使用单次激发这样的小能量包，你就更容易受到外部干扰。”为了使量子比特在这些量子水平上工作，它们必须驻留在精心控制的环境中，以保护它们免受外界干扰，并使它们始终处于低温。即使是最轻微的干扰也会使量子计算机中的程序中断。凭借其极高的灵敏度，科学家们意识到量子计算机可以提供一种探测暗物质的方法。科学家们确定，其他暗物质探测器需要以量子计算机的方式进行屏蔽，这进一步巩固了这一想法。“量子计算机非常敏感，而我们为了保护量子计算机使用了很多的屏蔽设施，唯一能穿透的就是暗物质。所以，如果人们正在建造具有相同要求的量子计算机，我们会问为什么不能将它们用作暗物质探测器？可以换个思路嘛。”当暗物质粒子穿过强磁场时，它们可能会产生光子，而这时科学家们可以用铝光子腔中的超导量子位来测量。由于量子位被屏蔽了所有其他外部干扰，当科学家检测到光子的干扰时，他们可以推断这是暗物质穿过保护层的结果。他说：“这些干扰表现为错误，你没有将任何信息加载到计算机中，但不知何故，信息出现了，就像通过设备飞行的粒子变成了零。”到目前为止，科学家们已经展示了该技术的工作原理，并且该设备对这些光子非常敏感。他们的方法比其他传感器有优势，比如能够对同一个光子进行多次测量，以确保干扰不仅仅是偶然事件引起的。该设备还具有超低噪声水平，可以提高对暗物质信号的灵敏度。即使是最轻微的干扰也会使量子计算机中的程序中断。凭借其极高的灵敏度，科学家们意识到量子计算机可以提供一种探测暗物质的方法。“我们知道如何从高能物理界制造这些可调谐盒，我们与量子计算人员合作，了解并转让这些量子比特用作传感器的技术。所以我们计划开发一项暗物质探测实验，并继续改进设备的设计。”“这台设备测试了盒子中的传感器，盒子中装有单一频率的光子。下一步是修改这个盒子，把它变成一种无线电接收器，我们可以改变盒子的尺寸。”这位科学家指着蓝宝石空腔捕获装置说道。通过改变光子腔的尺寸，它将能够感知暗物质产生的不同波长的光子。“盒子里的波是由盒子的整体大小决定的。为了改变我们想要寻找的暗物质的频率和波长，我们实际上必须改变盒子的大小。这是我们目前正在做的工作，我们已经创建了一些盒子，可以在其中改变不同部分的长度，以便能够以不同的频率调谐到暗物质中。”科学家们还在开发由不同材料制成的空腔。传统的铝光子腔在存在从暗物质粒子产生光子所需的磁场时失去了超导性。“这些空腔不能在高磁场中生存。”他说。“高磁场破坏了超导性，所以我们用合成蓝宝石制造了一个新的空腔。”开发这些新的、可调谐的蓝宝石光子腔将使团队更接近于运行结合物理和量子科学两方面的暗物质实验。