量子“捕手”搜尋宇宙暗物質(zhì)

中國科大在合肥、杭州架起全球首個核自旋量子傳感網(wǎng)

彭新華、江敏帶領(lǐng)研究團(tuán)隊做實驗。

一張連接合肥與杭州的“量子探測網(wǎng)”，為暗物質(zhì)的探測提供全新路徑。近日，中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)自旋磁共振實驗室彭新華、江敏團(tuán)隊在《自然》雜志發(fā)表突破性研究成果：團(tuán)隊革新核自旋量子精密測量技術(shù)，成功搭建國際首個基于原子核自旋的量子傳感網(wǎng)絡(luò)。團(tuán)隊將5臺超靈敏量子傳感器分別部署在合肥與杭州，如同布下的宇宙信號“監(jiān)聽系統(tǒng)”，讓暗物質(zhì)探測靈敏度實現(xiàn)質(zhì)的飛躍。

暗物質(zhì)，堪稱宇宙“隱形巨頭”，占宇宙總質(zhì)量的26.8%。它雖然不發(fā)光、不與普通物質(zhì)發(fā)生電磁相互作用，卻能通過引力影響星系運動，一直以來難以搜尋。

軸子，是暗物質(zhì)的熱門候選者。科學(xué)家要探測它，還需要穿過一層被稱為“暗物質(zhì)墻”的存在。當(dāng)?shù)厍虼┰竭@堵“無形之墻”時，軸子可能與量子傳感器中的原子核發(fā)生極微弱的相互作用，產(chǎn)生轉(zhuǎn)瞬即逝的信號。要捕捉這個信號，難度堪比在沸騰的廣場上，精準(zhǔn)分辨出一片特定雪花落地的聲音。

為攻克探測難題，研究團(tuán)隊給量子傳感器裝上了兩件“硬核裝備”：一是將轉(zhuǎn)瞬即逝的信號“儲存”在接近分鐘級的核自旋相干態(tài)中，大幅延長了信號探測窗口；二是通過自研量子放大技術(shù)，將微弱信號增強一百倍，讓“蛛絲馬跡”不再難尋。

更進(jìn)一步，團(tuán)隊將5臺超靈敏量子傳感器分別部署在合肥與杭州，通過衛(wèi)星時間精確同步，構(gòu)建成分布式探測網(wǎng)絡(luò)。捕捉真實宇宙信號，并進(jìn)行“多地比對、協(xié)同驗證”。這種組網(wǎng)模式能讓探測結(jié)果的可靠性達(dá)到前所未有的高度。

經(jīng)過兩個月的持續(xù)觀測，團(tuán)隊雖未捕捉到明確的“暗物質(zhì)墻”穿越信號，卻取得了關(guān)鍵進(jìn)展：在廣泛的軸子質(zhì)量范圍內(nèi)，給出了該暗物質(zhì)模型最嚴(yán)格的限制標(biāo)準(zhǔn)。其中部分質(zhì)量區(qū)間的限制精度，比天文學(xué)家用超新星觀測的結(jié)果高出40倍，首次實現(xiàn)實驗室探測精度超越天文觀測。

這一突破意味著，人類搜尋暗物質(zhì)的“工具庫”中，新增了一款更精準(zhǔn)的“量子神器”。

該研究不僅為暗物質(zhì)探測開辟了新路徑，其網(wǎng)絡(luò)化、分布式探測思路，未來還可與引力波天文臺協(xié)同，用于搜尋更多宇宙奧秘。目前，團(tuán)隊計劃進(jìn)一步擴大“量子探測網(wǎng)”的覆蓋范圍，通過全球組網(wǎng)、空間部署等方式，將進(jìn)一步極大提升暗物質(zhì)探測靈敏度，持續(xù)向解開暗物質(zhì)之謎發(fā)起沖擊。

合報科學(xué)+融媒體工作室 合肥晚報-合新聞記者 張玉蓮