Los científicos del Fermilab están aprovechando la tecnología cuántica en la búsqueda de materia oscura.

Por décadas, los físicos han estado buscando cosas esquivas, que no emite luz pero parece constituir la gran mayoría de la materia del universo. Se han propuesto varias partículas teóricas como candidatas a materia oscura, incluyendo partículas masivas de interacción débil (WIMP) y axiones.

Aaron Chou de Fermilab lidera un consorcio consorcio multiinstitucional para aplicar las técnicas de metrología cuántica al problema de detección de materia oscura axiónica. El proyecto, que reúne a los científicos de Fermilab, el Instituto Nacional de Estándares y Tecnología, la Universidad de Chicago, Universidad de Colorado y Universidad de Yale, recibió recientemente $ 2.1 millones durante dos años a través del programa Quantum Information Science-Enabled Discovery (QuantISED) del Departamento de Energía, que busca hacer avanzar la ciencia a través de tecnologías cuánticas.

Si los científicos tienen éxito, el descubrimiento podría resolver varios misterios cosmológicos a la vez.

"Sería la primera vez que alguien hubiera encontrado alguna evidencia directa de la existencia de materia oscura, "dijo Daniel Bowring de Fermilab, cuyo trabajo en este esfuerzo cuenta con el apoyo de un premio DOE Office of Science Early Career Research Award. "Ahora, inferimos la existencia de materia oscura a partir del comportamiento de los cuerpos astrofísicos. Hay muy buena evidencia de la existencia de materia oscura basada en esas observaciones, pero nadie ha encontrado una partícula todavía ".

La búsqueda de axion

Encontrar un axión también resolvería una discrepancia en la física de partículas llamada problema de PC fuerte. Las partículas y antipartículas son "simétricas" entre sí:exhiben un comportamiento de imagen especular en términos de carga eléctrica y otras propiedades.

La fuerza fuerte, una de las cuatro fuerzas fundamentales de la naturaleza, obedece a la simetría CP. Pero no hay razón al menos en el modelo estándar de física, por qué debería hacerlo. El axión se propuso por primera vez para explicar por qué lo hace.

Encontrar un axión es un esfuerzo delicado, incluso en comparación con otras búsquedas de materia oscura. La masa de un axión es extremadamente baja, entre una millonésima y una milésima de electronvoltio. En comparación, se espera que la masa de un WIMP sea entre un billón y un cuatrillón de veces más masiva, en el rango de mil millones de electronvoltios, lo que significa que son lo suficientemente pesados ​​como para que ocasionalmente puedan producir una señal al chocar contra los núcleos de otros átomos. Para buscar WIMP, Los científicos llenan los detectores con xenón líquido (por ejemplo, en el experimento de materia oscura LUX-ZEPLIN en la Instalación de Investigación Subterránea de Sanford en Dakota del Sur) o cristales de germanio (en el experimento SuperCDMS Soudan en Minnesota) y busque indicios de tal colisión.

"No se puede hacer eso con axiones porque son muy ligeros, "Dijo Bowring." Así que la forma en que buscamos axiones es fundamentalmente diferente de la forma en que buscamos partículas más masivas ".

Cuando un axión encuentra un fuerte campo magnético, debería, al menos en teoría, producir un solo fotón de frecuencia de microondas, una partícula de luz. Al detectar ese fotón, los científicos deberían poder confirmar la existencia de axiones. El experimento Axion Dark Matter eXperiment (ADMX) en la Universidad de Washington y el experimento HAYSTAC en Yale están intentando hacer precisamente eso.

Estos experimentos utilizan un imán superconductor potente para convertir axiones en fotones en una cavidad de microondas. La cavidad se puede sintonizar a diferentes frecuencias de resonancia para aumentar la interacción entre el campo de fotones y los axiones. Luego, un receptor de microondas detecta la señal de fotones resultante de la interacción. La señal se alimenta a través de un amplificador, y los científicos buscan esa señal amplificada.

"Pero hay un límite cuántico fundamental sobre lo bueno que puede ser un amplificador, "Dijo Bowring.

Los fotones son omnipresentes, que introduce un alto grado de ruido que debe ser filtrado de la señal detectada en la cavidad de microondas. Y a frecuencias de resonancia más altas, la relación señal-ruido empeora progresivamente.

Tanto Bowring como Chou están explorando cómo utilizar la tecnología desarrollada para la computación cuántica y el procesamiento de información para solucionar este problema. En lugar de amplificar la señal y separarla del ruido, su objetivo es desarrollar nuevos tipos de detectores de axiones que contarán fotones con mucha precisión, con qubits.

La ventaja del qubit

En una computadora cuántica, la información se almacena en qubits, o bits cuánticos. Un qubit se puede construir a partir de una sola partícula subatómica, como un electrón o un fotón, o de metamateriales diseñados como átomos artificiales superconductores. El diseño de la computadora aprovecha los sistemas cuánticos de dos estados de las partículas, como el espín de un electrón (hacia arriba o hacia abajo) o la polarización de un fotón (vertical u horizontal). Y a diferencia de los bits de computadora clásicos, que tienen uno de los dos estados (uno o cero), Los qubits también pueden existir en una superposición cuántica, una especie de adición de los dos estados cuánticos de la partícula. Esta característica tiene innumerables aplicaciones potenciales en la computación cuántica que los físicos recién están comenzando a explorar.

En la búsqueda de axiones, Bowring y Chou están usando qubits. Para que un detector tradicional basado en antena observe un fotón producido por un axión, debe absorber el fotón, destruyéndolo en el proceso. Un qubit, por otra parte, puede interactuar con el fotón muchas veces sin aniquilarlo. Debido a esto, el detector basado en qubit dará a los científicos una probabilidad mucho mayor de detectar materia oscura.

"La razón por la que queremos utilizar la tecnología cuántica es que la comunidad de la computación cuántica ya ha tenido que desarrollar estos dispositivos que pueden manipular un solo fotón de microondas". "Dijo Chou." Estamos haciendo lo mismo, excepto que un solo fotón de información que se almacena dentro de este contenedor no es algo que alguien coloque allí como parte del cálculo. Es algo que la materia oscura puso allí ".

Reflejo de luz

El uso de un qubit para detectar un fotón producido por axiones trae su propio conjunto de desafíos al proyecto. En muchas computadoras cuánticas, los qubits se almacenan en cavidades hechas de materiales superconductores. El superconductor tiene paredes altamente reflectantes que atrapan efectivamente un fotón el tiempo suficiente para realizar cálculos con él. Pero no se puede usar un superconductor alrededor de imanes de alta potencia como los que se usaron en los experimentos de Bowring y Chou.

"El superconductor simplemente está arruinado por imanes, "Dijo Chou. Actualmente, están usando cobre como reflector de imitación.

"Pero el problema es, a estas frecuencias, el cobre almacenará un solo fotón por solo 10, 000 rebotes en lugar de, decir, mil millones rebota en los espejos, ", dijo." Así que no podemos mantener estos fotones durante tanto tiempo antes de que sean absorbidos ".

Y eso significa que no se quedan el tiempo suficiente para ser recogidos como señal. Entonces los investigadores están desarrollando otra, mejor contenedor de fotones.

"Estamos tratando de hacer una cavidad con cristales de muy baja pérdida, "Dijo Chou.

Piense en un cristal de ventana. Cuando la luz lo golpea algunos fotones rebotarán en él, y otros pasarán. Coloque otro trozo de vidrio detrás del primero. Algunos de los fotones que pasaron por el primero rebotarán en el segundo, y otros pasarán por ambos vidrios. Agrega una tercera capa de vidrio, y un cuarto, etcétera.

"Aunque cada capa individual no es tan reflectante por sí misma, la suma de los reflejos de todas las capas te da un reflejo bastante bueno al final, ", Dijo Chou." Queremos hacer un material que atrape la luz durante mucho tiempo ".

Bowring ve el uso de la tecnología de computación cuántica en la búsqueda de materia oscura como una oportunidad para traspasar los límites que a menudo separan las diferentes disciplinas.

"Podría preguntarse por qué Fermilab querría involucrarse en la tecnología cuántica si se trata de un laboratorio de física de partículas, ", dijo." La respuesta es, al menos en parte, que la tecnología cuántica nos permite hacer mejor la física de partículas. Tiene sentido reducir esas barreras ".