暗物质约占宇宙中物质和能量预算的27%，但科学家对它了解不多。他们确实知道它是冷的，这意味着构成暗物质的粒子是缓慢移动的。也很难直接探测到暗物质，因为它不与光互动。然而，美国能源部费米国家加速器实验室（Fermilab）的科学家发现了一种使用量子计算机寻找暗物质的方法。
费米实验室的高级科学家Aaron Chou致力于通过量子科学探测暗物质。作为美国能源部高能物理办公室QuantISED项目的一部分，他已经开发出一种方法，使用量子比特，即量子计算系统的主要组成部分，来探测暗物质在强磁场存在下产生的单光子。
经典计算机用设置为1或0的二进制比特处理信息。 1和0的特定模式使计算机有可能执行某些功能和任务。然而，在量子计算中，由于一种被称为叠加的量子力学特性，量子比特在被读取之前同时存在于1和0。这一特性使量子计算机能够有效地进行复杂的计算，而经典计算机则需要花费大量的时间来完成。
阿卡什-迪克西特在使用量子计算机寻找暗物质的团队工作。在这里，Dixit拿着一个含有超导量子比特的微波腔。腔体侧面有孔，就像微波炉门上的屏幕有孔一样；这些孔太小，微波无法逃逸。资料来源：Ryan Postel, Fermilab
为了让量子比特在这些量子水平上运行，它们必须居住在精心控制的环境中，保护它们不受外界干扰，并使它们保持持续的低温。即使是最轻微的干扰也会使量子计算机中的程序失灵。由于量子计算机的极端敏感性，研究人员意识到量子计算机可以提供一种检测暗物质的方法。其他暗物质探测器需要以量子计算机的方式进行屏蔽，这进一步巩固了这一想法。
"量子计算机和暗物质探测器都必须被严格屏蔽，而唯一能跳过的就是暗物质，因此，如果人们正在以同样的要求建造量子计算机，我们就问'为什么你不能把这些东西当作暗物质探测器？"
当暗物质粒子穿过一个强磁场时，它们可能会产生光子，Chou和他的团队可以用铝制光子腔内的超导量子比特进行测量。因为这些量子比特已经被屏蔽了所有其他的外部干扰，当科学家检测到一个光子的干扰时，他们可以推断出这是暗物质飞过保护层的结果。
科学家Aaron Chou领导的实验是利用超导量子比特和空腔来寻找暗物质。Credit: Reidar Hahn, Fermilab
到目前为止，Chou和他的团队已经证明了这项技术是如何工作的，并且该设备对这些光子非常敏感。他们的方法比其他传感器有优势，比如能够对同一光子进行多次测量，以确保干扰不只是由另一个侥幸造成的。该设备还具有超低的噪音水平，这使得对暗物质信号的敏感度提高了。
即使是最轻微的干扰也会使量子计算机中的程序失灵。凭借其极端的敏感性，Aaron Chou意识到量子计算机可以提供一种检测暗物质的方法。
"我们知道如何从高能物理学界制造这些可调谐的盒子，我们与量子计算人员一起工作，了解并转让这些量子比特用作传感器的技术，"Chou说。从这里开始，他们计划开发一个暗物质探测实验，并继续改进该设备的设计。
"这个装置测试了盒子里的传感器，它能容纳单一频率的光子，"Chou说。"下一步是修改这个盒子，把它变成一种无线电接收器，其中我们可以改变盒子的尺寸。"通过改变光子腔的尺寸，它将能够感知由暗物质产生的不同波长的光子。
这些新的蓝宝石光子腔将有助于带领团队更接近运行暗物质实验，这些实验结合了物理学和量子科学的各个方面。
"能住在盒子里的波是由盒子的整体尺寸决定的。为了改变我们想要寻找的暗物质的哪些频率和哪些波长，我们实际上必须改变盒子的大小，"周说。"这就是我们目前正在做的工作；我们已经创建了盒子，我们可以改变它的不同部分的长度，以便能够在不同的频率上调谐暗物质。"
研究人员还在开发由不同材料制成的腔体。传统的铝制光子腔在存在从暗物质粒子产生光子所必需的磁场时，会失去其超导性。"这些腔体不能在高磁场中生存，高磁场破坏了超导性，所以我们用合成蓝宝石制成了一个新的空腔。"
开发这些新的、可调谐的蓝宝石光子腔将使该团队更接近于运行暗物质实验，该实验结合了物理学和量子科学的各个方面。