Розгадають таємниці Всесвіту: учені створили квантовий кристал для пошуку темної матерії

Квантова система, квантовий кристал
Фото: scitechdaily.com

Новий датчик може вловлювати недоступні раніше частоти. З його допомогою фізики сподіваються розгадати одну з найбільших таємниць Всесвіту.

Американські вчені створили квантовий кристал, який використовують для пошуку темної матерії.

Вони опублікували статтю про своє дослідження в журналі Science.

Крихітний кристал розміром усього 200 мікрометрів у десять разів чутливіший за атомні датчики (швидше за все, маються на увазі датчики радіочастотного електромагнітного поля на основі атомів Ридберга, розроблені вченими з NIST — ред.). Він може налаштовуватися на частоти, які в теорії випромінюють особливі частинки — аксіони. Система здатна вловлювати навіть сигнали, недоступні іншим сучасним датчиками. Автори зазначають, що продуктивність кристала залежить від двох вельми незвичайних фізичних процесів: квантової заплутаності і "обертання часу".

Експеримент проходить у Національному інституті стандартів і технологій США (NIST). Співробітники установи вважають, що захоплення справжнього аксіона стане ключем до розгадки однієї з найбільших таємниць Всесвіту — природи темної матерії.

Учені вже підтвердили існування темної матерії, коли помітили її величезний гравітаційний вплив на "нормальну" баріонну матерію, з якої складаються наші тіла, планети і зірки. Таємнича речовина в п'ять разів більше, ніж звичайна матерія, однак вона не випромінює ніяких сигналів, відомих людям, які б дозволили її досліджувати.

Фізик-теоретик Ана Марія Рей у коментарі Vice наголосила, що головним проривом команди стало досягнення квантового зв'язку між механічними й електромагнітними властивостями квантового кристала. За її словами, за допомогою "заплутаності" вчені збільшили чутливість до рівня, який недоступний звичайним системам.

"Ми використовуємо квантові інструменти та ресурси, пропоновані тільки квантовими системами, щоб робити зондування, яке неможливе при використанні класичних ресурсів", — зазначила співавторка статті.

Квантова заплутаність виникає тоді, коли квантові стани частинок стають пов'язаними і не можуть поводити себе незалежно. У деяких випадках зв'язок між ними зберігається навіть на великих відстанях. В експерименті NIST команда заплутала дві важливі фізичні властивості іонів берилію, з яких складається кристал, — механічні коливання і спін (обертання).

квантовий кристал
Заплутаність іонів у квантовому кристалі

Механічні коливання відносяться до колективного руху іонів уздовж площини, у той час як спін відноситься до індивідуального стану іонів. Дослідники NIST змогли використовувати лазерні промені, щоб встановити квантовий зв'язок між цими двома властивостями.

У зв'язаному стані кристал теоретично здатний сприймати тонку електромагнітну хвилю, створювану аксіонами, коли вона потрапляє в сильне магнітне поле всередині детектора. Оскільки аксіони існують тільки в теоретичних моделях темної матерії, команда ввела напругу для імітації електричного поля, яке може створити аксіон, щоб перевірити свій метод.

"Аксіон генерує електромагнітну хвилю у вигляді електричного поля з певною частотою. Якщо наші іони резонують з цією частотою, то електричне поле може викликати рух, і цей рух ми можемо дуже точно виявити", — пояснила Рей.

Описується рух, відомий як "зсув" (displacement). Квантова заплутаність дозволяє фіксувати зміщення без перешкод і шумів, які зазвичай існують у таких системах. Команді довелося вирішити ще одну проблему, щоб виміряти змодельоване зміщення: принцип невизначеності Гейзенберга (суть принципу: чим точніше вимірюється одна характеристика частинки, тим менш точно можна виміряти другу, — ред.). На практиці це означає, що будь-яка спроба спостерігати за зміщенням у заплутаній системі викличе спотворення, над усуненням яких працювали дослідники.

"Заплутаність — це фантастика, це зменшує шум, але якщо ви хочете скористатися цією заплутаністю, це дуже складно, тому що коли ви її вимірюєте, ви руйнуєте хвильову функцію, що додає більше шуму і зводить нанівець усі переваги, яких ви досягли завдяки заплутуванню", — зазначила Ана Марія Рей.

Ось тут-то і став у нагоді науковцям виверт з "обертанням часу". Після того, як рух і спини іонів виявилися пов'язані і був поданий сигнал зсуву, учені знову розплутали властивості в процесі, який схожий на "перехід у минуле". За словами Рей, це не подорож у часі в прямому сенсі, але форма звернення часу в квантово-механічну структуру, відому як гамільтонова система.

NIST, квантова система
Квантова система NIST

Коли квантова заплутаність відключена, у кристалічній системі знову виникають перешкоди, проте інформація про усунення, яке нещодавно трапилося під час фази заплутування, відображається в обертанні іонів, як штамп у квантовому паспорті. Таким чином зберігаються дані вимірювань, які команда не могла отримати під час заплутаності іонів.

У найближчі роки команда NIST планує поліпшити стабільність і чутливість квантового кристала, проте перший експеримент уже відкрив можливість створення нового типу сенсора, здатного шукати темну матерію за частотою аксіонів. Готовий кристал використовуватимуть у дослідженнях, спрямованих на пошук "темних" частинок, які в теорії оточують нас всюди. Якщо їх вдасться зловити — людство нарешті дізнається, з чого складається велика частина Всесвіту.

"Це відкриє нові напрямки в цій галузі, які зажадають нових теорій для їх пояснення. Я маю на увазі, що це може бути дуже захопливо, тому що в нас немає фундаментального розуміння складу Всесвіту", — підсумувала Рей.

Раніше фізики змогли створити "кристал часу" за допомогою квантового комп'ютера. Він постійно перемикається між станами, але не споживає енергію.