Percée du département américain de l'énergie : détecter la matière noire avec des ordinateurs quantiques

Aug 22, 2023

Par Fermi National Accelerator Laboratory6 décembre 2022

Dans une nouvelle percée, des scientifiques du Fermilab du Département américain de l'énergie ont trouvé un moyen de détecter la matière noire à l'aide d'ordinateurs quantiques.

La matière noire représente environ 27% du bilan matière et énergétique de l'univers, mais les scientifiques n'en savent pas grand-chose. Ils savent qu'il fait froid, ce qui signifie que les particules qui composent la matière noire se déplacent lentement. Il est également difficile de détecter directement la matière noire car elle n'interagit pas avec la lumière. Cependant, des scientifiques du Fermi National Accelerator Laboratory (Fermilab) du Département américain de l'énergie ont découvert un moyen d'utiliser des ordinateurs quantiques pour rechercher de la matière noire.

Aaron Chou, a senior scientist at Fermilab, works on detecting dark matter through quantum science. As part of DOE's Office of High Energy Physics QuantISED program, he has developed a way to use qubits, the main component of quantum computingPerforming computation using quantum-mechanical phenomena such as superposition and entanglement." data-gt-translate-attributes="[{"attribute":"data-cmtooltip", "format":"html"}]">systèmes informatiques quantiques, pour détecter les photons uniques produits par la matière noire en présence d'un champ magnétique puissant.

Un ordinateur classique traite les informations avec des bits binaires définis sur 1 ou 0. Le modèle spécifique de uns et de zéros permet à l'ordinateur d'effectuer certaines fonctions et tâches. En informatique quantique, cependant, les qubits existent à la fois à 1 et à 0 simultanément jusqu'à ce qu'ils soient lus, en raison d'une propriété mécanique quantique connue sous le nom de superposition. Cette propriété permet aux ordinateurs quantiques d'effectuer efficacement des calculs complexes qu'un ordinateur classique prendrait énormément de temps à effectuer.

"Les Qubits fonctionnent en manipulant des excitations uniques d'informations, par exemple des photons uniques", a déclaré Chou. "Donc, si vous travaillez avec des paquets d'énergie aussi petits que des excitations uniques, vous êtes beaucoup plus sensible aux perturbations externes."

Akash Dixit travaille dans l'équipe qui utilise des ordinateurs quantiques pour rechercher la matière noire. Ici, Dixit tient une cavité micro-onde contenant un qubit supraconducteur. La cavité a des trous sur le côté de la même manière que l'écran d'une porte de four à micro-ondes a des trous ; les trous sont tout simplement trop petits pour que les micro-ondes puissent s'échapper. Crédit : Ryan Postel, Laboratoire Fermi

Pour que les qubits fonctionnent à ces niveaux quantiques, ils doivent résider dans des environnements soigneusement contrôlés qui les protègent des interférences extérieures et les maintiennent à des températures constamment froides. Même la moindre perturbation peut perturber un programme dans un ordinateur quantique. Avec leur extrême sensibilité, Chou a réalisé que les ordinateurs quantiques pourraient fournir un moyen de détecter la matière noire. Il a reconnu que d'autres détecteurs de matière noire devaient être protégés de la même manière que les ordinateurs quantiques, renforçant encore l'idée.

"Les ordinateurs quantiques et les détecteurs de matière noire doivent être fortement protégés, et la seule chose qui peut passer à travers est la matière noire", a déclaré Chou. "Donc, si les gens construisent des ordinateurs quantiques avec les mêmes exigences, nous avons demandé" pourquoi ne pouvez-vous pas simplement les utiliser comme détecteurs de matière noire? ""

When dark matter particles traverse a strong magnetic field, they may produce photons that Chou and his team can measure with superconducting qubits inside aluminum photonA photon is a particle of light. It is the basic unit of light and other electromagnetic radiation, and is responsible for the electromagnetic force, one of the four fundamental forces of nature. Photons have no mass, but they do have energy and momentum. They travel at the speed of light in a vacuum, and can have different wavelengths, which correspond to different colors of light. Photons can also have different energies, which correspond to different frequencies of light." data-gt-translate-attributes="[{"attribute":"data-cmtooltip", "format":"html"}]"> cavités photoniques. Parce que les qubits ont été protégés de toutes les autres perturbations extérieures, lorsque les scientifiques détectent une perturbation d'un photon, ils peuvent en déduire que c'était le résultat de la matière noire volant à travers les couches protectrices.

"Ces perturbations se manifestent par des erreurs où vous n'avez chargé aucune information dans l'ordinateur, mais d'une manière ou d'une autre, des informations sont apparues, comme des zéros qui se transforment en un à partir de particules volant à travers l'appareil", a-t-il déclaré.

Le scientifique Aaron Chou dirige l'expérience qui recherche la matière noire à l'aide de qubits et de cavités supraconducteurs. Crédit : Reidar Hahn, Laboratoire Fermi

Jusqu'à présent, Chou et son équipe ont démontré comment la technique fonctionne et que l'appareil est incroyablement sensible à ces photons. Leur méthode présente des avantages par rapport à d'autres capteurs, comme la possibilité d'effectuer plusieurs mesures du même photon pour s'assurer qu'une perturbation n'a pas été causée uniquement par un autre coup de chance. L'appareil a également un niveau de bruit ultra-faible, ce qui permet une sensibilité accrue aux signaux de matière noire.

Même la moindre perturbation peut perturber un programme dans un ordinateur quantique. Avec leur extrême sensibilité, Aaron Chou a réalisé que les ordinateurs quantiques pourraient fournir un moyen de détecter la matière noire.

"Nous savons comment fabriquer ces boîtes accordables de la communauté de la physique des hautes énergies, et nous avons travaillé avec les spécialistes de l'informatique quantique pour comprendre et transférer la technologie permettant d'utiliser ces qubits comme capteurs", a déclaré Chou.

À partir de là, ils prévoient de développer une expérience de détection de matière noire et de continuer à améliorer la conception de l'appareil.

"Cet appareil teste le capteur dans la boîte, qui contient des photons avec une seule fréquence", a déclaré Chou. "La prochaine étape consiste à modifier cette boîte pour la transformer en une sorte de récepteur radio dans lequel nous pouvons changer les dimensions de la boîte."

En modifiant les dimensions de la cavité photonique, il sera capable de détecter différentes longueurs d'onde de photons produits par la matière noire.

Ces nouvelles cavités à photons en saphir aideront l'équipe à se rapprocher de la réalisation d'expériences sur la matière noire qui combinent des aspects de la physique et de la science quantique. Crédit : Ankur Agrawal, Université de Chicago

"Les ondes qui peuvent vivre dans la boîte sont déterminées par la taille globale de la boîte. Afin de changer les fréquences et les longueurs d'onde de la matière noire que nous voulons rechercher, nous devons en fait changer la taille de la boîte", a déclaré Chou. "C'est le travail que nous faisons actuellement ; nous avons créé des boîtes dans lesquelles nous pouvons modifier la longueur de différentes parties afin de pouvoir syntoniser la matière noire à différentes fréquences."

Les chercheurs développent également des cavités faites de différents matériaux. Les cavités photoniques traditionnelles en aluminium perdent leur supraconductivité en présence du champ magnétique nécessaire à la production de photons à partir de particules de matière noire.

"Ces cavités ne peuvent pas vivre dans des champs magnétiques élevés", a-t-il déclaré. "Des champs magnétiques élevés détruisent la supraconductivité, nous avons donc créé une nouvelle cavité en saphir synthétique."

Le développement de ces nouvelles cavités à photons en saphir accordables rapprochera l'équipe de la réalisation d'expériences sur la matière noire qui combinent des aspects de la physique et de la science quantique.