近日,中國科學技術大學基于超導量子比特體系,提出可擴展的暗物質搜尋架構,并在多比特超導量子芯片上完成原理性實驗驗證。

現代天文學與宇宙學觀測表明,暗物質約占宇宙總質量25%。近年來,以軸子和暗光子為代表的超輕玻色子暗物質成為備受關注的暗物質候選者。理論預言,超輕暗物質的可能質量范圍約為1至100μeV,且與普通物質之間僅存在極微弱的相互作用。國際上已開展一系列超輕暗物質搜尋的實驗研究,但面臨測量范圍與探測靈敏度難以兼顧的技術挑戰。

該研究提出利用超導量子比特直接搜尋超輕暗物質的實驗架構。研究利用微納加工技術,在單個芯片上集成多個頻率可調的超導量子比特,形成可擴展的暗物質搜尋架構。這一架構可對暗物質多能區同步開展高靈敏掃描探測,有望解決測量范圍與靈敏度難以兼顧的問題。同時,研究設計制作了三比特超導量子芯片,可同時對15.632-15.638、15.838-15.845及16.463-16.468μeV三個能區的暗光子進行搜尋,并給出相應區間內最嚴格的暗光子-光子耦合界限。研究發現,實驗結果相較此前基于天文觀測的界限提升了1至2個數量級。

這一工作展示了超導量子比特在粒子物理領域的應用前景,為未來實現更寬質量區間、更高精度的暗物質探測奠定了基礎。

10月29日,相關研究成果發表在《物理評論快報》(Physical Review Letters)上。研究工作得到國家自然科學基金委員會和科學技術部等的支持。

論文鏈接：https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/9p1t-vc9j

(a)可擴展的暗物質搜尋架構的預期界限;(b)原理性驗證實驗給出的界限