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近日，中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)基于超導(dǎo)量子比特體系，提出可擴(kuò)展的暗物質(zhì)搜尋架構(gòu)，并在多比特超導(dǎo)量子芯片上完成原理性實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。

現(xiàn)代天文學(xué)與宇宙學(xué)觀測(cè)表明，暗物質(zhì)約占宇宙總質(zhì)量25%。近年來(lái)，以軸子和暗光子為代表的超輕玻色子暗物質(zhì)成為備受關(guān)注的暗物質(zhì)候選者。理論預(yù)言，超輕暗物質(zhì)的可能質(zhì)量范圍約為1至100μeV，且與普通物質(zhì)之間僅存在極微弱的相互作用。國(guó)際上已開(kāi)展一系列超輕暗物質(zhì)搜尋的實(shí)驗(yàn)研究，但面臨測(cè)量范圍與探測(cè)靈敏度難以兼顧的技術(shù)挑戰(zhàn)。

該研究提出利用超導(dǎo)量子比特直接搜尋超輕暗物質(zhì)的實(shí)驗(yàn)架構(gòu)。研究利用微納加工技術(shù)，在單個(gè)芯片上集成多個(gè)頻率可調(diào)的超導(dǎo)量子比特，形成可擴(kuò)展的暗物質(zhì)搜尋架構(gòu)。這一架構(gòu)可對(duì)暗物質(zhì)多能區(qū)同步開(kāi)展高靈敏掃描探測(cè)，有望解決測(cè)量范圍與靈敏度難以兼顧的問(wèn)題。同時(shí)，研究設(shè)計(jì)制作了三比特超導(dǎo)量子芯片，可同時(shí)對(duì)15.632-15.638、15.838-15.845及16.463-16.468μeV三個(gè)能區(qū)的暗光子進(jìn)行搜尋，并給出相應(yīng)區(qū)間內(nèi)最嚴(yán)格的暗光子-光子耦合界限。研究發(fā)現(xiàn)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果相較此前基于天文觀測(cè)的界限提升了1至2個(gè)數(shù)量級(jí)。

這一工作展示了超導(dǎo)量子比特在粒子物理領(lǐng)域的應(yīng)用前景，為未來(lái)實(shí)現(xiàn)更寬質(zhì)量區(qū)間、更高精度的暗物質(zhì)探測(cè)奠定了基礎(chǔ)。

10月29日，相關(guān)研究成果發(fā)表在《物理評(píng)論快報(bào)》（Physical Review Letters）上。研究工作得到國(guó)家自然科學(xué)基金委員會(huì)和科學(xué)技術(shù)部等的支持。

論文鏈接

（a）可擴(kuò)展的暗物質(zhì)搜尋架構(gòu)的預(yù)期界限；（b）原理性驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)給出的界限