Durchbruch beim US-Energieministerium: Entdeckung dunkler Materie mit Quantencomputern

Aug 22, 2023

Von Fermi National Accelerator Laboratory, 6. Dezember 2022

In einem neuen Durchbruch haben Wissenschaftler am Fermilab des US-Energieministeriums einen Weg gefunden, dunkle Materie mithilfe von Quantencomputern nachzuweisen.

Dunkle Materie macht etwa 27 % des Materie- und Energiehaushalts im Universum aus, aber Wissenschaftler wissen nicht viel darüber. Sie wissen, dass es kalt ist, was bedeutet, dass sich die Teilchen, aus denen die Dunkle Materie besteht, langsam bewegen. Außerdem ist es schwierig, dunkle Materie direkt nachzuweisen, da sie nicht mit Licht interagiert. Wissenschaftler des Fermi National Accelerator Laboratory (Fermilab) des US-Energieministeriums haben jedoch eine Möglichkeit entdeckt, mithilfe von Quantencomputern nach Dunkler Materie zu suchen.

Aaron Chou, a senior scientist at Fermilab, works on detecting dark matter through quantum science. As part of DOE's Office of High Energy Physics QuantISED program, he has developed a way to use qubits, the main component of quantum computingPerforming computation using quantum-mechanical phenomena such as superposition and entanglement." data-gt-translate-attributes="[{"attribute":"data-cmtooltip", "format":"html"}]">Quantencomputersysteme, um einzelne Photonen zu erkennen, die von dunkler Materie in Gegenwart eines starken Magnetfelds erzeugt werden.

Ein klassischer Computer verarbeitet Informationen mit binären Bits, die entweder auf 1 oder 0 gesetzt sind. Das spezifische Muster aus Einsen und Nullen ermöglicht es dem Computer, bestimmte Funktionen und Aufgaben auszuführen. Beim Quantencomputing existieren Qubits jedoch aufgrund einer quantenmechanischen Eigenschaft, die als Superposition bekannt ist, gleichzeitig sowohl bei 1 als auch bei 0, bis sie gelesen werden. Diese Eigenschaft ermöglicht es Quantencomputern, komplexe Berechnungen effizient durchzuführen, für deren Ausführung ein klassischer Computer enorm viel Zeit in Anspruch nehmen würde.

„Qubits funktionieren, indem sie einzelne Informationsanregungen manipulieren, zum Beispiel einzelne Photonen“, sagte Chou. „Wenn man also mit so kleinen Energiepaketen wie Einzelanregungen arbeitet, ist man weitaus anfälliger für äußere Störungen.“

Akash Dixit arbeitet in dem Team, das mithilfe von Quantencomputern nach Dunkler Materie sucht. Hier hält Dixit einen Mikrowellenhohlraum, der ein supraleitendes Qubit enthält. Der Hohlraum hat Löcher in seiner Seite, genauso wie das Sieb an der Tür eines Mikrowellenherds Löcher hat; Die Löcher sind einfach zu klein, als dass Mikrowellen entweichen könnten. Bildnachweis: Ryan Postel, Fermilab

Damit Qubits auf diesen Quantenniveaus funktionieren können, müssen sie sich in sorgfältig kontrollierten Umgebungen befinden, die sie vor Störungen von außen schützen und sie auf konstant niedrigen Temperaturen halten. Schon die kleinste Störung kann ein Programm in einem Quantencomputer durcheinander bringen. Chou erkannte, dass Quantencomputer aufgrund ihrer extremen Empfindlichkeit eine Möglichkeit bieten könnten, dunkle Materie zu entdecken. Er erkannte, dass andere Detektoren für dunkle Materie auf die gleiche Weise wie Quantencomputer abgeschirmt werden müssen, was die Idee weiter festigte.

„Sowohl Quantencomputer als auch Detektoren für dunkle Materie müssen stark abgeschirmt sein, und das Einzige, was hindurchspringen kann, ist dunkle Materie“, sagte Chou. „Wenn also Leute Quantencomputer mit den gleichen Anforderungen bauen, fragten wir uns: ‚Warum kann man diese nicht einfach als Detektoren für dunkle Materie verwenden?‘“

When dark matter particles traverse a strong magnetic field, they may produce photons that Chou and his team can measure with superconducting qubits inside aluminum photonA photon is a particle of light. It is the basic unit of light and other electromagnetic radiation, and is responsible for the electromagnetic force, one of the four fundamental forces of nature. Photons have no mass, but they do have energy and momentum. They travel at the speed of light in a vacuum, and can have different wavelengths, which correspond to different colors of light. Photons can also have different energies, which correspond to different frequencies of light." data-gt-translate-attributes="[{"attribute":"data-cmtooltip", "format":"html"}]"> Photonenhohlräume. Da die Qubits vor allen anderen Störungen von außen abgeschirmt sind, können Wissenschaftler, wenn sie eine Störung durch ein Photon entdecken, daraus schließen, dass diese das Ergebnis des Flugs dunkler Materie durch die Schutzschichten ist.

„Diese Störungen äußern sich als Fehler, bei denen man keine Informationen in den Computer geladen hat, aber irgendwie Informationen erschienen, wie Nullen, die sich durch Partikel, die durch das Gerät fliegen, in Einsen verwandeln“, sagte er.

Der Wissenschaftler Aaron Chou leitet das Experiment, das mithilfe supraleitender Qubits und Hohlräume nach dunkler Materie sucht. Bildnachweis: Reidar Hahn, Fermilab

Bisher haben Chou und sein Team gezeigt, wie die Technik funktioniert und dass das Gerät unglaublich empfindlich auf diese Photonen reagiert. Ihre Methode hat Vorteile gegenüber anderen Sensoren, beispielsweise die Möglichkeit, mehrere Messungen desselben Photons durchzuführen, um sicherzustellen, dass eine Störung nicht nur durch einen weiteren Zufall verursacht wurde. Das Gerät verfügt außerdem über einen extrem niedrigen Rauschpegel, was eine erhöhte Empfindlichkeit gegenüber Signalen dunkler Materie ermöglicht.

Schon die kleinste Störung kann ein Programm in einem Quantencomputer durcheinander bringen. Aaron Chou erkannte, dass Quantencomputer aufgrund ihrer extremen Empfindlichkeit eine Möglichkeit bieten könnten, dunkle Materie zu entdecken.

„Wir wissen aus der Hochenergiephysik-Community, wie man diese abstimmbaren Boxen herstellt, und wir haben mit den Quanteninformatikern zusammengearbeitet, um die Technologie für die Verwendung dieser Qubits als Sensoren zu verstehen und zu übertragen“, sagte Chou.

Von hier aus planen sie, ein Experiment zur Erkennung dunkler Materie zu entwickeln und das Design des Geräts weiter zu verbessern.

„Dieses Gerät testet den Sensor in der Box, der Photonen mit einer einzigen Frequenz speichert“, sagte Chou. „Der nächste Schritt besteht darin, diese Box so zu modifizieren, dass sie in eine Art Funkempfänger umgewandelt wird, bei dem wir die Abmessungen der Box ändern können.“

Durch die Veränderung der Abmessungen des Photonenhohlraums wird er in der Lage sein, unterschiedliche Wellenlängen von Photonen zu erfassen, die von dunkler Materie erzeugt werden.

Diese neuen Saphir-Photonenhohlräume werden dazu beitragen, dass das Team der Durchführung von Experimenten mit dunkler Materie näher kommt, die Aspekte sowohl der Physik als auch der Quantenwissenschaft kombinieren. Bildnachweis: Ankur Agrawal, University of Chicago

„Die Wellen, die in der Box leben können, werden durch die Gesamtgröße der Box bestimmt. Um zu ändern, nach welchen Frequenzen und Wellenlängen der Dunklen Materie wir suchen wollen, müssen wir tatsächlich die Größe der Box ändern“, sagte er Chou. „Das ist die Arbeit, an der wir derzeit arbeiten. Wir haben Kisten geschaffen, in denen wir die Länge verschiedener Teile davon ändern können, um uns auf dunkle Materie bei unterschiedlichen Frequenzen einstellen zu können.“

Darüber hinaus entwickeln die Forscher Hohlräume aus unterschiedlichen Materialien. Die traditionellen Aluminium-Photonenhohlräume verlieren ihre Supraleitung in Gegenwart des Magnetfelds, das für die Erzeugung von Photonen aus dunklen Materieteilchen erforderlich ist.

„Diese Hohlräume können in hohen Magnetfeldern nicht leben“, sagte er. „Hohe Magnetfelder zerstören die Supraleitung, deshalb haben wir einen neuen Hohlraum aus synthetischem Saphir hergestellt.“

Die Entwicklung dieser neuen, abstimmbaren Saphir-Photonenhohlräume wird das Team der Durchführung von Experimenten mit dunkler Materie näher bringen, die Aspekte sowohl der Physik als auch der Quantenwissenschaft kombinieren.