【无处不在】
在我们赖以生存的宇宙中 ， 除了常说的可见物质、普通物质 ， 或者叫可观测物质之外 ， 还充满了一种看不见、非常规的物质 ， 暗物质（dark matter） 。 暗物质的总质量是普通物质的6倍 ， 在宇宙能量密度中占了1/4 ， 同时更重要的是 ， 暗物质主导了宇宙结构的形成 。 与可观测物质不同 ， 暗物质不与光发生作用 ， 无法进行直接观测 。 然而 ， 大量天文学观测中发现的疑似违反牛顿万有引力的现象 ， 又让科学家们坚信暗物质存在于宇宙之中 。
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由于构成暗物质的粒子尚不清楚 ， 因此 ， 暗物质的本质是现代物理学中最大的谜团之一 。 几十年来 ， 研究人员一直在探寻 。
【有力候选 ， 轴子】
在众多理论中 ， 其中一个非常热门的暗物质粒子候选者是轴子（axion） ， 它是一种非常轻的中性粒子（如果存在 ， 其质量小于十万分之一的eV） 。 轴子的提出最初是为了解释当时粒子物理学理论中的一个问题：即当时间方向发生反转时 ， 部分粒子的动力学似乎并没有发生改变 ， 违背了人们的预期 。 此外 ， 据理论预测 ， 轴子具有构成暗物质的正确属性 。 它们会在大爆炸后大量产生 ， 多到能够提供某些宇宙学家为使时空平坦所要求的冷暗物质 。 因此 ， 证实轴子存在 ， 不仅可以解释暗物质来源 ， 还可解释为什么宇宙主要由物质组成 。
近日 ， 美国耶鲁大学的K. M. Backes课题组通过真空压缩（vacuum squeezing）的策略突破了量子极限来搜寻暗物质 。 通过制备一个处于压缩状态的微波频率电磁场 ， 并几乎无噪声地对被压缩的正交曲线进行读出 ， 研究人员将在质量范围内对轴子的搜索速度提高了一倍 。 在轴子16.96-17.12和17.14-17.28微电子伏特（μeV）的静止能量窗口中 ， 并没有发现暗物质存在的证据 。 对量子极限的突破促进了对基础物理的探索 ， 体现了降噪技术的优异性 。 该研究以“A quantum enhanced search for dark matter axions”为题发表在最新一期的《Nature》上 。
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【如何搜寻】
如果暗物质是由轴子构成的 ， 这些粒子将无处不在 。 在星系的暗物质光晕（延伸到恒星盘之外的大致球形区域）中寻找轴子 ， 就需要轴子光晕仪（axion haloscope） 。 在该装置中 ， 将一个谐振腔（一种中空金属结构 ， 能够将光限制在谐振频率）放置在一个强而均匀的磁场中 。 在空腔内部 ， 潜在的轴子可以从磁场的量子波动中散射出来（又称为虚拟光子） ， 并产生频率与轴子质量成比例的一个真实的光子（图1） 。 如果该频率与腔体的谐振频率匹配 ， 那么原本可以忽略不计的极微弱的轴子信号将被放大 。
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Axion haloscope的原理
即使信号被放大了 ， 在这些粒子的最真实模型中 ， 轴子的预期信号还是非常微小的 ， 且常常被实验噪声信号掩盖 。 过往实验中 ， 这种噪声通常来自于空腔壁发出的热辐射 ， 或是使用的传感器导致的 。 想要提高观测轴子的灵敏度 ， 就需要降低实验噪声 。 目前 ， 最尖端的axionhaloscope通过降低温度以减少热辐射 ， 并采用超低噪声传感器技术 。 然而 ， 这种提升技术日益艰难 。
【量子|《Nature》：更近一步，量子压缩助力暗物质粒子的探索】【突破极限】
根据海森堡量子物理学的测不准原理 ， 量子系统的某些特性对不能以无限的精度同时被确定 。 这些性质被称为互补变量 ， 如位置和动量等 。 这种不确定性有时被称为量子噪声 ， 甚至在没有任何光子的真空状态下也会存在 。 因此 ， 量子噪声代表了轴子光晕仪可达到的噪声水平的极限 。 而能够极其接近这一量子极限 ， 已经是一项技术壮举了 。 但是K. M. Backes等人使用的被称为压缩态的量子态方法 ， 突破了这一极限 。
在压缩态中 ， 一对性质的其中一个性质的不确定性被降低 。 而根据海森堡原理 ， 互补变量又必须具有大于正常的不确定性（即另一个性质的不确定性增加） 。 早在1980年代 ， 光的压缩态就在实验室在问世了 ， 但一直到过去几年 ， 它们在克服量子极限的轴子搜索上的潜力才被挖掘 。
在K. M. Backes等人的实验中 ， 他们对量子噪声的分量（类似于一种被称为正弦波的数学曲线）进行了压缩 ， 它类似于被称为正弦波的数学曲线 ， 而接收额外不确定性的互补变量是类似于余弦波的分量 。 幸运的是 ， 通过挤压前者而获得的好处要远远大于“拓宽”（unsqueezing）后者而失去的好处 。 因此 ， 因此 ， 在轴子光晕仪的腔内以这种压缩状态制备真空状态 ， 可以使噪声水平降低到量子极限以下 。
Backes等人对这个概念进行了实现 。 在真实的搜索轴子的过程中 ， 他们证明了精密的量子操纵技术与这样的搜索环境是兼容的 。 结果显示 ， 在一个给定的轴子参数空间 (轴子-光子耦合与轴子质量的关系图) ， 与不包含压缩态相比 ， 当包含压缩态时 ， 探索时间减少了一半 。
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对轴子的搜寻
【未来可期】
尽管这种改进看起来相对温和 ， 但它为灵敏度的进一步飞跃铺平了道路（理论上 ， 任意的性能提升主要基于压缩的品质） 。 Backes等人的工作是迈出了量子增强粒子搜索的第一步 。 在过去的几年里 ， 轴子吸引了越来越多的关注 。 尽管目前还只是一点点 ， 但是研究人员开始广泛探索现实中的轴子候选对象 。 而提高灵敏度对于验证暗物质是由轴子组成的假设至关重要 。 因此 ， 这项工作将有助于揭示现代科学中最大的谜团之一 。
来源：高分子科学前沿
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