Prošlo je gotovo stoljeće otkako je prvi put predloženo da tamna tvar objašnjava kretanje klastera galaksija, ali fizičari još uvijek ne znaju od čega se sastoji.
Istraživači diljem svijeta napravili su desetke detektora u nadi da će otkriti tamnu tvar, a jedan od njih je HAYSTAC. No unatoč desetljećima eksperimentalnih napora, znanstvenici tek trebaju identificirati udio tamne tvari.
Do sada je potraga za tamnom tvari dobila malo vjerojatan poticaj od tehnologija koje se koriste u istraživanju kvantnog računalstva. U novom radu objavljenom u časopisu Nature, tim HAYSTAC-a opisuje kako su upotrijebili mali kvantni trik da udvostruče brzinu kojom detektor može tražiti tamnu tvar. Rezultat dodaje prijeko potrebno povećanje brzine lovu na ovu tajanstvenu česticu.
Postoje uvjerljivi dokazi iz astrofizike i kozmologije da nepoznata tvar zvana tamna tvar čini više od 80% materije u svemiru. Teoretski fizičari predložili su desetke novih temeljnih čestica koje bi mogle objasniti tamnu tvar. Ali kako bi utvrdili koja je od ovih teorija istinita, istraživači moraju stvoriti različite detektore kako bi testirali svaki.
Jedna istaknuta teorija sugerira da se tamna tvar sastoji od još uvijek hipotetskih čestica koje se nazivaju aksioni, a koje se zajedno ponašaju poput nevidljivog vala koji oscilira kroz prostor na vrlo specifičnoj frekvenciji. Aksionski detektori, uključujući HAYSTAC, rade poput radio prijamnika, ali umjesto pretvaranja radio valova u zvuk, oni nastoje pretvoriti aksionske valove u elektromagnetske. Konkretno, aksionski detektori mjere dvije veličine koje se nazivaju kvadratura elektromagnetskog polja. Ove kvadrature su dvije različite vrste oscilacija u elektromagnetskom valu koje bi se pojavile u prisutnosti aksiona.
Glavni problem u potrazi za aksionima je taj što nitko ne zna frekvenciju hipotetskog aksionskog vala. Znanstvenici podešavaju svoje detektore na širok raspon frekvencija u diskretnim koracima. Svaki korak može pokriti samo vrlo mali raspon mogućih aksionskih frekvencija. Ovaj mali raspon je širina pojasa detektora.
Aksionski signal - čak iu najosjetljivijim detektorima - bio bi izuzetno slab u usporedbi sa statikom od nasumičnih elektromagnetskih fluktuacija, koje fizičari nazivaju šumom. Što je više buke, to detektor mora biti duži pri svakom koraku postavljanja da bi slušao aksionski signal.
Također zanimljivo:
- Nijemci će izraditi kvantno računalo temeljeno na supravodljivim kubitima
- Znanstvenici razvijaju novu vrstu optičkog kvantnog računala
Detektor je podesiv samo od 88 do 108 megaherca (jedan megaherc jednak je milijun herca). Frekvencija aksiona, naprotiv, može biti od 300 do 300 milijardi herca. Pri brzini kojom detektori danas rade, moglo bi trebati više od 10 godina da se pronađu aksioni ili da se dokaže da oni ne postoje.
Posebni supravodljivi krugovi koji se koriste u kvantnom računalstvu mogu pomoći detektorima da filtriraju šum koji može zamagliti signal aksiona.
Godine 2012. tim HAYSTAC-a odlučio je ubrzati potragu za aksionima čineći sve što je moguće kako bi smanjio buku. Ali 2017. naletjeli su na temeljnu minimalnu granicu buke zbog zakona kvantne fizike poznatog kao načelo nesigurnosti.
Načelo nesigurnosti kaže da je nemoguće znati točne vrijednosti određenih fizikalnih veličina u isto vrijeme - na primjer, ne možete znati položaj i moment čestice u isto vrijeme. Podsjetimo se da detektori aksiona traže aksion mjerenjem dvije kvadrature - te posebne vrste oscilacija elektromagnetskog polja. Načelo nesigurnosti zabranjuje točno poznavanje obje kvadrature, dodajući minimalnu količinu šuma kvadraturnim oscilacijama.
U konvencionalnim detektorima, kvantni šum skriva obje kvadrature podjednako zbog principa nesigurnosti. Ova se buka ne može eliminirati, ali se s pravim alatima može kontrolirati. Tim je razvio način zaobilaženja kvantnog šuma u HAYSTAC detektoru, smanjujući njegov učinak na jednu kvadraturu i povećavajući njegov učinak na drugu. Ova metoda obrade šuma naziva se kvantna kompresija.
Tim HAYSTAC-a preuzeo je zadatak implementacije kompresije u detektoru, koristeći tehnologiju supravodljivih krugova posuđenu iz istraživanja kvantnog računalstva. U svom najnovijem rezultatu, znanstvenici su koristili kompresiju kako bi udvostručili protok HAYSTAC-a, što im je omogućilo duplo bržu potragu za aksionima. Jedna kvantna kompresija nije dovoljna za skeniranje svih mogućih aksiona frekvencija u razumnom vremenu. Ali udvostručenje brzine skeniranja velik je korak u pravom smjeru.
Nitko ne zna postoje li aksioni i hoće li riješiti misterij tamne majke, ali zahvaljujući ovoj neočekivanoj primjeni kvantne tehnologije, korak smo bliže odgovorima na ova pitanja.
Pročitajte također:
- Fizičari će tražiti kvantno usporavanje vremena unutar nuklearnog reaktora
- IBM-ova kvantna računala sada obavljaju neke zadatke u satima umjesto mjesecima