揭秘宇宙幽灵：量子传感器如何捕捉暗物质

宇宙中充满了我们看不见、摸不着的暗物质，它可能占据了宇宙物质总量的五分之六。暗物质无处不在，对普通物质施加着微弱的影响，但迄今为止，科学家们一直未能找到它。然而，一项新的研究表明，利用机器学习的策略，量子传感器或许能最终捕获这种神秘物质。

我们之所以知道暗物质的存在，是因为它对星系运动产生的引力影响。但我们不知道它是由什么构成的，也不知道它如何与构成我们自身的普通粒子相互作用。尽管科学家们提出了数十种关于暗物质潜在组成和精确性质的模型，但大多数模型预测暗物质对普通粒子的影响微乎其微。量子传感器为探测这些微弱的相互作用提供了一种可能。

这项新研究的重点是原子干涉仪，这是一种依赖于叠加效应的量子传感器。叠加效应是指一个原子可以同时存在于两个或多个地方。原子干涉仪利用这种“薛定谔猫”式的状态，让原子沿着不同的路径飞行，然后重新组合。由于粒子-波二象性，这些原子会相互干涉，它们的波峰和波谷相互抵消或增强。通过观察这种干涉现象，可以揭示原子在不同路径上经历的微小运动差异。

科学家们提高原子干涉仪灵敏度的一种方法是利用激光脉冲，这些脉冲用于将原子波分开并反射回来。这些激光脉冲在光学干涉仪中代替了传统的镜子。西北大学物理与天文学助理教授蒂莫西·科瓦奇说：“每次原子波反射在这些短暂的镜子上时，我们寻找的信号就会被放大，就像光信号在镜面腔体内反射时被放大一样。”

然而，原子波能经历这种反射的次数取决于原子镜的质量，而“制造一个好的原子镜相当困难”，科瓦奇说。

在新的研究中，科瓦奇和他的同事们提出了一种策略，可以增加原子镜上的反射次数。利用机器学习，他们不再将原子波反射在最多约10个激光脉冲序列上，而是实现了约500个脉冲序列。这使得原子干涉仪的性能在实验室测试中提高了50倍。

更灵敏的原子干涉仪

科瓦奇说，这种新策略“并不执着于制造完美的原子镜，而是寻找一种方法来提高许多不同原子镜的集体净效应，弥补每个原子镜的缺陷。”

研究人员现在希望将他们的新技术应用于“正在建造的第一个使用原子干涉仪进行暗物质大规模搜寻项目”。科瓦奇说：“我们预计第一个搜寻项目将在三到五年内上线。我们希望与更好的原子光学技术相结合，将它们的灵敏度提高几个数量级，超过目前原子干涉仪的能力。”

更精确的原子干涉仪可能还有其他应用，例如无GPS导航。科瓦奇说，帮助实现全球导航卫星系统的卫星链路在水下或地下无法工作，即使在工作的地方，它们也容易受到干扰、欺骗和天气的影响。量子运动传感器可以作为一种惯性导航系统的基础，这种系统不依赖于任何外部信号。

科瓦奇补充说，原子干涉仪还可以帮助测量地球引力场的强度，这种强度会随着地球表面下方质量的集中程度而变化。这种引力传感器的潜在应用包括观察隐藏的地下结构、探测地下自然资源、发现地下考古遗址以及监测火山活动和地下水流动。

“我从未想过能取得如此大的进步。”——西北大学蒂莫西·科瓦奇

正在开发的100米高甚至更大的大型原子干涉仪（相比之下，标准原子干涉仪只有1或2米高）有一天甚至可以帮助探测到被称为引力波的时空涟漪。科学家们在2015年利用激光干涉引力波天文台（LIGO）首次发现了这些波的直接证据，这可能是两个黑洞碰撞造成的。科瓦奇说，原子干涉仪理论上可以探测到来自明显不同事件的引力波，例如宇宙大爆炸后瞬间发生的宇宙暴胀时期。

未来的研究应该用不同类型的原子干涉仪来研究这种新技术。在这项新研究中，科学家们使用了一种基于锶原子的装置，但“铷原子绝对是原子干涉仪的主力军”，科瓦奇说。

科学家们于12月11日在《物理评论快报》杂志上详细介绍了他们的发现。