深圳有一群頂尖科學(xué)家，正在研究宇宙中最神秘的東西！

量子暗物質(zhì)：深圳的"瘋狂"實(shí)驗(yàn)

前兩條還算"正常操作"，第三條就有點(diǎn)離譜了。

4月30日，深圳國際量子研究院發(fā)布消息：俞大鵬院士帶隊(duì)，聯(lián)合北京大學(xué)，成功實(shí)現(xiàn)了基于"貓態(tài)"的量子增強(qiáng)暗物質(zhì)搜尋實(shí)驗(yàn)突破。

翻譯成人話就是：一群頂尖科學(xué)家在深圳，用量子計(jì)算機(jī)的技術(shù)，去尋找宇宙中最神秘的東西。

什么是"貓態(tài)"？源自薛定諤的貓——量子力學(xué)著名的思想實(shí)驗(yàn)，一只貓同時(shí)處于"生"和"死"的疊加態(tài)。深圳團(tuán)隊(duì)把這種量子疊加態(tài)應(yīng)用到超導(dǎo)微波諧振腔里，讓探測設(shè)備的靈敏度突破了經(jīng)典物理的極限，去捕捉暗物質(zhì)可能留下的蛛絲馬跡。

什么是暗物質(zhì)？它是宇宙中不發(fā)光、不反射光、不吸收光的"幽靈物質(zhì)"，占宇宙總質(zhì)量的約27%（我們能看到的所有普通物質(zhì)只占5%）。人類找了它幾十年，至今沒有直接探測到。

而深圳，正在加入這場全球競賽。

這件事的意義遠(yuǎn)超一次科學(xué)實(shí)驗(yàn)。它釋放了一個(gè)強(qiáng)烈信號(hào)：深圳不再滿足于做"中國硅谷"，它想做"中國波士頓"+ "中國日內(nèi)瓦"的綜合體。

以前提到深圳，你會(huì)想到華為、騰訊、比亞迪——應(yīng)用創(chuàng)新的王者。但應(yīng)用創(chuàng)新的天花板，是基礎(chǔ)研究的高度。沒有底層突破，應(yīng)用創(chuàng)新遲早會(huì)碰到瓶頸。

所以深圳開始"燒錢"搞基礎(chǔ)研究了。量子計(jì)算、暗物質(zhì)探測、合成生物……這些短期看不到回報(bào)的方向，深圳在all in。

俞大鵬院士的團(tuán)隊(duì)只是冰山一角。光明科學(xué)城、河套合作區(qū)、西麗湖國際科教城——深圳正在一口氣布局多個(gè)國家級(jí)科研平臺(tái)。

這讓我想起一句話：一座偉大的城市，不僅要有造富的能力，更要有回答人類終極問題的野心。

深圳顯然想要兩者兼得。

中國科研團(tuán)隊(duì)實(shí)現(xiàn)基于貓態(tài)的量子增強(qiáng)暗物質(zhì)搜尋

基于貓態(tài)的量子增強(qiáng)暗物質(zhì)搜尋概念圖。研究團(tuán)隊(duì)供圖

中新網(wǎng)深圳4月30日電 (記者 索有為)記者30日從深圳國際量子研究院獲悉，在中國科學(xué)院院士俞大鵬的帶領(lǐng)下，該院研究員徐源、劉松聯(lián)合北京大學(xué)教授舒菁，在暗光子暗物質(zhì)搜尋領(lǐng)域取得重要實(shí)驗(yàn)進(jìn)展。

研究團(tuán)隊(duì)在高品質(zhì)因子鈮基超導(dǎo)微波諧振腔中開發(fā)出基于四腳薛定諤貓態(tài)的暗光子暗物質(zhì)探測方案，實(shí)現(xiàn)量子增強(qiáng)的暗物質(zhì)搜尋，為下一代高靈敏度暗光子暗物質(zhì)搜尋實(shí)驗(yàn)奠定了重要技術(shù)基礎(chǔ)。相關(guān)成果于29日發(fā)表在《物理評(píng)論快報(bào)》上。

暗物質(zhì)是宇宙的重要組成成分，雖然其存在性已被諸多天文學(xué)和宇宙學(xué)方面的觀測證據(jù)所證實(shí)，然而它的微觀性質(zhì)仍是現(xiàn)代物理學(xué)中的一大未解之謎。

研究團(tuán)隊(duì)開發(fā)出基于高品質(zhì)因子鈮基超導(dǎo)微波諧振腔的量子增強(qiáng)暗物質(zhì)探測器，用于探測彌漫在空間中的超輕波動(dòng)性暗光子暗物質(zhì)。

研究團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)，當(dāng)暗光子的質(zhì)量與探測器的共振頻率相匹配時(shí)，暗光子將以正比于動(dòng)力學(xué)混合角的概率轉(zhuǎn)化為諧振腔中的普通光子，從而被探測到。通過探測諧振腔中光子產(chǎn)生速率，便可推算暗光子動(dòng)力學(xué)混合角的上限。

該研究開發(fā)了基于四腳薛定諤貓態(tài)的暗物質(zhì)探測實(shí)驗(yàn)方案，實(shí)現(xiàn)量子增強(qiáng)的高靈敏度暗光子暗物質(zhì)搜尋。四腳貓態(tài)的模四宇稱性質(zhì)使探測器具備區(qū)分光子產(chǎn)生信號(hào)和諧振腔單光子丟失錯(cuò)誤的能力，從而提升了光子探測的信噪比。

同時(shí)，研究團(tuán)隊(duì)在實(shí)驗(yàn)中成功制備出高保真度的四腳薛定諤貓態(tài)作為探測初態(tài)，并利用重復(fù)的量子非破壞性宇稱測量以及隱馬爾可夫模型分析等手段對探測器進(jìn)行了系統(tǒng)表征。通過提高四腳貓態(tài)的平均光子數(shù)，實(shí)驗(yàn)展示了相比于真空態(tài)提升了高達(dá)8.1倍的光子產(chǎn)生速率，極大地提高了暗光子探測效率。

在此基礎(chǔ)上，團(tuán)隊(duì)開展了暗光子暗物質(zhì)的搜尋實(shí)驗(yàn)研究，通過測量暗物質(zhì)的相干積分信號(hào)，最終實(shí)現(xiàn)在6.44 GHz頻率下對暗光子動(dòng)力學(xué)混合角高達(dá)7.32×10^{-16}的限制。

此外，團(tuán)隊(duì)進(jìn)一步開發(fā)了基于失諧邊帶驅(qū)動(dòng)的頻率調(diào)節(jié)方法，并應(yīng)用于暗光子暗物質(zhì)的掃頻探測，利用不同頻率下測得的光子產(chǎn)生速率聯(lián)合分析進(jìn)一步壓低背景噪聲，實(shí)現(xiàn)了在100 kHz頻率范圍內(nèi)的高靈敏度暗物質(zhì)搜尋，獲得了10^{-16}量級(jí)的暗光子動(dòng)力學(xué)混合角限制，優(yōu)于之前相關(guān)研究結(jié)果1個(gè)數(shù)量級(jí)以上。

據(jù)悉，該成果有望進(jìn)一步推動(dòng)量子增強(qiáng)精密測量技術(shù)在未來暗物質(zhì)搜尋等前沿基礎(chǔ)物理領(lǐng)域中的重要應(yīng)用。(完)

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