Scoperta del Dipartimento dell’Energia degli Stati Uniti: rilevamento della materia oscura con i computer quantistici

Aug 22, 2023

Di Fermi National Accelerator Laboratory6 dicembre 2022

Con una nuova svolta, gli scienziati del Fermilab del Dipartimento dell’Energia degli Stati Uniti hanno trovato un modo per rilevare la materia oscura utilizzando computer quantistici.

La materia oscura costituisce circa il 27% della materia e del bilancio energetico dell’universo, ma gli scienziati non ne sanno molto. Sanno che fa freddo, il che significa che le particelle che compongono la materia oscura si muovono lentamente. È anche difficile rilevare direttamente la materia oscura perché non interagisce con la luce. Tuttavia, gli scienziati del Fermi National Accelerator Laboratory (Fermilab) del Dipartimento dell’Energia degli Stati Uniti hanno scoperto un modo per utilizzare i computer quantistici per cercare la materia oscura.

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"}]">sistemi di calcolo quantistico, per rilevare singoli fotoni prodotti dalla materia oscura in presenza di un forte campo magnetico.

Un computer classico elabora le informazioni con bit binari impostati su 1 o 0. Lo schema specifico di uno e zero consente al computer di eseguire determinate funzioni e compiti. Nell’informatica quantistica, tuttavia, i qubit esistono simultaneamente sia a 1 che a 0 finché non vengono letti, a causa di una proprietà meccanica quantistica nota come sovrapposizione. Questa proprietà consente ai computer quantistici di eseguire in modo efficiente calcoli complessi che un computer classico impiegherebbe un’enorme quantità di tempo per completare.

"I qubit funzionano manipolando singole eccitazioni di informazioni, ad esempio singoli fotoni", ha detto Chou. "Quindi, se lavori con pacchetti di energia così piccoli come singole eccitazioni, sei molto più suscettibile ai disturbi esterni."

Akash Dixit lavora nel team che utilizza i computer quantistici per cercare la materia oscura. Qui, Dixit contiene una cavità a microonde contenente un qubit superconduttore. La cavità è dotata di fori sui lati, nello stesso modo in cui lo schermo dello sportello di un forno a microonde è dotato di fori; i fori sono semplicemente troppo piccoli perché le microonde possano fuoriuscire. Credito: Ryan Postel, Fermilab

Affinché i qubit possano funzionare a questi livelli quantistici, devono risiedere in ambienti attentamente controllati che li proteggano dalle interferenze esterne e li mantengano a temperature costantemente fredde. Anche il minimo disturbo può disturbare un programma in un computer quantistico. Grazie alla loro estrema sensibilità, Chou si rese conto che i computer quantistici potevano fornire un modo per rilevare la materia oscura. Ha riconosciuto che altri rilevatori di materia oscura devono essere schermati allo stesso modo dei computer quantistici, consolidando ulteriormente l’idea.

"Sia i computer quantistici che i rilevatori di materia oscura devono essere pesantemente schermati, e l'unica cosa che può passare attraverso è la materia oscura", ha detto Chou. "Quindi, se le persone stanno costruendo computer quantistici con gli stessi requisiti, ci siamo chiesti 'perché non puoi semplicemente usarli come rilevatori di materia oscura?'"

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"}]"photon cavities. Because the qubits have been shielded from all other outside disturbances, when scientists detect a disturbance from a photon, they can infer that it was the result of dark matter flying through the protective layers./p>