فیزیک‌دانان یک نقطه کوانتومی می‌سازند که می‌تواند ماهیت ماده تاریک را افشا کند!

منتشر‌شده در scitechdaily.com به تاریخ ۳ مه ۲۰۲۱
لینک منبع Physicists Build a Quantum Bit That Can Search for Dark Matter

یک نوع ماده نامریی وجود دارد که بر حرکات ستاره‌ها و کهکشان‌ها تاثیر می‌گذارد اما تا‌کنون هیچ‌کس نتوانسته است خود ماده به نام ماده تاریک را مستقیما تشخیص دهد. اما برخی امیدوارند که ما بتوانیم از میدان رو به رشد دانش کوانتومی استفاده کنیم تا در نهایت آن را پیدا کنیم. دانشمندان در آزمایشگاه شتاب‌دهنده ملی فرمی وزارت انرژی ایالات‌متحده و دانشگاه شیکاگو، یک تکنیک جدید مبتنی بر فن‌آوری کوانتوم را نشان داده‌اند که جستجو برای ماده تاریک را پیش می‌برد، که ۸۵٪ کل ماده در جهان را شامل می‌شود.

آرون چو، یکی از نویسندگان مقاله منتشر شده در «نامه‌های نقد فیزیکی» در مورد این تکنیک جدید، گفت: «ما می‌دانیم که حجم عظیمی از جرم در اطراف ما وجود دارد که از همان چیزهایی که من و شما از آن‌ها ساخته شده‌ایم، ساخته نشده است.» «ماهیت ماده تاریک یک راز واقعا جذاب است که بسیاری از ما تلاش می‌کنیم آن را حل کنیم.»

مطالعه مقاله آخرین شبکه نورون‌ها، بزرگ‌ترین معادلات دنیا را در سریع‌ترین زمان ممکن حل کردند.توصیه می‌شود.

به طور خاص، دو نوع ذرات زیر اتمی وجود دارند که دانشمندان آن‌ها را به عنوان روش‌های ممکن برای ظاهر شدن ماده تاریک فرض کرده‌اند. این همکاری دستگاه‌های جدیدی را بر اساس بیت‌های محاسبات کوانتومی توسعه داده است که قادر خواهند بود سیگنال‌های ضعیف منتشر شده توسط هر یک از این ذرات را در صورت وجود تشخیص دهند: یکی آکسون نامیده می‌شود، و دیگری «فوتون پنهان» نامیده می‌شود، یک ذره که احتمالا با فوتون‌های ذرات نور جهان قابل‌مشاهده در تعامل است.

کیوبیت راهی سریع و بسیار قابل‌اعتماد برای حل یکی از اسرار بزرگ در فیزیک ارائه می‌دهد.

دانشمندان گفتند که کلید حساسیت این تکنیک، توانایی آن برای حذف قرائت‌های مثبت کاذب است. تکنیک‌های مرسوم، فوتون‌هایی که اندازه‌گیری می‌کنند را از بین می‌برند. اما این تکنیک جدید می‌تواند بدون از بین بردن فوتون، آن را کاوش کند. اندازه‌گیری مکرر یک فوتون، در طول عمر ۵۰۰ میکروثانیه آن، تضمینی برای خواندن اشتباه فراهم می‌کند. «حالا، سطح نویز استاتیک به قدری کاهش پیدا کرده است که شما این شانس را دارید که اولین صفحه نمایش کوچک را در اندازه‌گیری‌های خود با توجه به سیگنال بسیار کوچک ببینید.»

دیکسیت گفت: «در جایی که روش معمولی ممکن است با هر اندازه‌گیری یک فوتون نویز تولید کند، در ردیاب ما هر هزار اندازه‌گیری که انجام می‌دهید یک فوتون نویز دریافت می‌کنید.» دیکسیت و همکارانش تکنیک خود را از یک فیزیک‌دان اتمی به نام سرج هاراو اقتباس کردند که در سال ۲۰۱۲ جایزه نوبل فیزیک را به خاطر این شاهکار برنده شد.

از بین بردن آکسون‌ها و فوتون‌های مخفی

حفره‌های مایکروویو ابررسانا برای تکنیک جدید حیاتی هستند. حفره مورد استفاده در آزمایش از آلومینیوم بسیار خالص-۹۹.۹۹۹۹٪-تشکیل شده است. در دماهای بسیار پایین، آلومینیوم فوق رسانا می‌شود، یک ویژگی که طول عمر بیت‌های کوانتومی را گسترش می‌دهد، که در طبیعت آن‌ها عمر کوتاهی دارند.

دیکسیت مشاهده کرد: «مزیت ما این است که وقتی شما-یا ماده تاریک-یک فوتون را در حفره قرار می‌دهید، می‌تواند فوتون را برای مدت طولانی نگه دارد.» «هرچه حفره دارای فوتون بیشتر باشد، ما باید اندازه‌گیری بیشتری انجام دهیم.» آکاش دیکسیت، دانشجوی تحصیلات تکمیلی دانشگاه شیکاگو است. این روش نسبت به ذرات نسبت به حد کوانتومی، که معیاری از اندازه‌گیری‌های کوانتومی معمولی است، ۳۶ برابر حساس‌تر است. اگر آکسون‌ها وجود داشته باشند، آزمایش فعلی یک در ده هزار احتمال می‌دهد که یک فوتون تولید شده توسط تعامل ماده تاریک را تشخیص دهد.

ممکن است به مطالعه مقاله مشاهدات هیدرودینامیک کاردار-پاریسی-ژانگ در یک ماده کوانتومی علاقمند باشید.

دیوید شوستر، استادیار فیزیک در دانشگاه شیکاگو و یکی از نویسندگان این مقاله جدید گفت: «برای بهبود بیشتر توانایی ما در درک چنین رویداد نادری، دمای فوتون‌ها باید کاهش یابد.» کاهش دمای فوتون، حساسیت به تمام نامزدهای ماده تاریک، از جمله فوتون‌های مخفی را افزایش خواهد داد. فوتون‌ها در این آزمایش تا دمای تقریبا ۴۰میلی لیکلون سرد شده‌اند (من‌های ۴۵۹.۶۰درجه فارنهایت) ، فقط کمی بالاتر از صفر مطلق. محققان می‌خواهند به اندازه دمای کاری ۸ میلی لیکلون پایین بروند (من‌های ۴۵۹.۶۶ درجه فارنهایت). در این مرحله، محیط برای جستجوی ماده تاریک بدون لکه خواهد بود و به طور موثر عاری از فوتون‌های پس‌زمینه خواهد بود.

شوستر که گروه تحقیقاتی او از همین فن‌آوری برای محاسبات کوانتومی استفاده خواهند کرد، گفت: «در‌حالی‌که قطعا هنوز راهی برای رفتن وجود دارد، دلیلی برای خوش بینی وجود دارد.» ما از علم اطلاعات کوانتومی برای کمک به جستجوی ماده تاریک استفاده می‌کنیم، اما همان نوع فوتون‌های پس‌زمینه نیز یک منبع خطای بالقوه برای محاسبات کوانتومی هستند. بنابراین این تحقیق از فراتر از علوم پایه استفاده می‌کند. « در‌حالی‌که قطعا هنوز راهی برای رفتن وجود دارد، دلیلی برای خوش بینی وجود دارد.» - AsSoC. پروفسور دیوید شوستر

شوستر گفت که این پروژه مثال خوبی از نوع همکاری است که انجام آن بین یک آزمایشگاه دانشگاهی و یک آزمایشگاه ملی منطقی به نظر می‌رسد. او گفت: «آزمایشگاه دانشگاه ما فن‌آوری کیوبیت داشت، اما در بلند مدت ما واقعا قادر به انجام هر گونه جستجوی ماده تاریک در سطح مورد نیاز نبودیم.» «این جایی است که مشارکت ملی-آزمایشگاهی نقش مهمی ایفا می‌کند.» نتیجه این تلاش میان رشته‌ای می‌تواند بسیار زیاد باشد.

چو گفت: «هیچ راهی برای انجام این آزمایش‌ها بدون تکنیک‌های جدیدی که ما توسعه داده‌ایم وجود ندارد.»

این متن با استفاده از ربات مترجم مقاله فیزیک ترجمه شده و به صورت محدود مورد بازبینی انسانی قرار گرفته است.در نتیجه می‌تواند دارای برخی اشکالات ترجمه باشد.

مقالات لینک‌شده در این متن می‌توانند به صورت رایگان با استفاده از مقاله‌خوان ترجمیار به فارسی مطالعه شوند.