用量子計算機尋找暗物質，我們該換一種思路開發量子計算機的用途

暗物質約佔宇宙中所有物質和能量的27%，但科學家對它知之甚少，科學家們只能確定它的溫度極低，這意味着構成暗物質的粒子運動非常緩慢，直接探測暗物質也很困難，因爲它不與光相互作用。然而，美國能源部費米國家加速器實驗室Fermilab的科學家發現了一種使用量子計算機尋找暗物質的方法。作爲美國能源部高能物理量子計劃辦公室的一部分，這位來自費米實驗室的科學家開發了一種方法，利用量子計算系統的主要組成部分量子比特，來探測暗物質產生的單個光子。經典計算機處理二進制位只有1或0，1和0的特定模式使計算機可以執行某些功能和任務。然而，在量子計算中，量子比特同時存在於1和0，直到它們被讀取，這是由於量子力學性質——量子糾纏。這一特性允許量子計算機高效地執行復雜的計算，而經典計算機需要花費很多很多時間才能完成。“Qubits通過操縱信息的單激發（例如，單光子）來工作。所以，如果你使用單次激發這樣的小能量包，你就更容易受到外部干擾。”爲了使量子比特在這些量子水平上工作，它們必須駐留在精心控制的環境中，以保護它們免受外界干擾，並使它們始終處於低溫。即使是最輕微的干擾也會使量子計算機中的程序中斷。憑藉其極高的靈敏度，科學家們意識到量子計算機可以提供一種探測暗物質的方法。科學家們確定，其他暗物質探測器需要以量子計算機的方式進行屏蔽，這進一步鞏固了這一想法。“量子計算機非常敏感，而我們爲了保護量子計算機使用了很多的屏蔽設施，唯一能穿透的就是暗物質。所以，如果人們正在建造具有相同要求的量子計算機，我們會問爲什麼不能將它們用作暗物質探測器？可以換個思路嘛。”當暗物質粒子穿過強磁場時，它們可能會產生光子，而這時科學家們可以用鋁光子腔中的超導量子位來測量。由於量子位被屏蔽了所有其他外部干擾，當科學家檢測到光子的干擾時，他們可以推斷這是暗物質穿過保護層的結果。他說：“這些干擾表現爲錯誤，你沒有將任何信息加載到計算機中，但不知何故，信息出現了，就像通過設備飛行的粒子變成了零。”到目前爲止，科學家們已經展示了該技術的工作原理，並且該設備對這些光子非常敏感。他們的方法比其他傳感器有優勢，比如能夠對同一個光子進行多次測量，以確保干擾不僅僅是偶然事件引起的。該設備還具有超低噪聲水平，可以提高對暗物質信號的靈敏度。即使是最輕微的干擾也會使量子計算機中的程序中斷。憑藉其極高的靈敏度，科學家們意識到量子計算機可以提供一種探測暗物質的方法。“我們知道如何從高能物理界製造這些可調諧盒，我們與量子計算人員合作，瞭解並轉讓這些量子比特用作傳感器的技術。所以我們計劃開發一項暗物質探測實驗，並繼續改進設備的設計。”“這臺設備測試了盒子中的傳感器，盒子中裝有單一頻率的光子。下一步是修改這個盒子，把它變成一種無線電接收器，我們可以改變盒子的尺寸。”這位科學家指着藍寶石空腔捕獲裝置說道。通過改變光子腔的尺寸，它將能夠感知暗物質產生的不同波長的光子。“盒子裡的波是由盒子的整體大小決定的。爲了改變我們想要尋找的暗物質的頻率和波長，我們實際上必須改變盒子的大小。這是我們目前正在做的工作，我們已經創建了一些盒子，可以在其中改變不同部分的長度，以便能夠以不同的頻率調諧到暗物質中。”科學家們還在開發由不同材料製成的空腔。傳統的鋁光子腔在存在從暗物質粒子產生光子所需的磁場時失去了超導性。“這些空腔不能在高磁場中生存。”他說。“高磁場破壞了超導性，所以我們用合成藍寶石製造了一個新的空腔。”開發這些新的、可調諧的藍寶石光子腔將使團隊更接近於運行結合物理和量子科學兩方面的暗物質實驗。