Yeni bir atılımda, ABD Enerji Bakanlığı Fermilab’daki bilim adamları, kuantum bilgisayarları kullanarak karanlık maddeyi tespit etmenin bir yolunu buldular.
Karanlık madde, evrendeki madde ve enerji bütçesinin yaklaşık %27’sini oluşturuyor, ancak bilim adamları onun hakkında fazla bir şey bilmiyor. Soğuk olduğunu, yani karanlık maddeyi oluşturan parçacıkların yavaş hareket ettiğini biliyorlar. Işıkla etkileşime girmediği için karanlık maddeyi doğrudan tespit etmek de zordur. Bununla birlikte, ABD Enerji Bakanlığı’nın Fermi Ulusal Hızlandırıcı Laboratuvarı’ndaki (Fermilab) bilim adamları, karanlık maddeyi aramak için kuantum bilgisayarları kullanmanın bir yolunu keşfettiler.
Fermilab’da kıdemli bir bilim insanı olan Aaron Chou, karanlık maddeyi kuantum bilimi aracılığıyla tespit etmeye çalışıyor. DOE’nin Yüksek Enerji Fiziği Ofisi QuantISED programının bir parçası olarak, ana bileşeni olan kübitleri kullanmanın bir yolunu geliştirdi. kuantum hesaplama güçlü bir manyetik alanın varlığında karanlık madde tarafından üretilen tek fotonları algılamak için sistemler.
Kuantum bilgisayarlar karanlık maddeyi nasıl tespit edebilir?
Klasik bir bilgisayar, bilgileri 1 veya 0’a ayarlanmış ikili bitlerle işler. Belirli birler ve sıfırlar örüntüsü, bilgisayarın belirli işlevleri ve görevleri gerçekleştirmesini mümkün kılar. Bununla birlikte, kuantum hesaplamada, süperpozisyon olarak bilinen bir kuantum mekanik özelliği nedeniyle, okunana kadar kübitler aynı anda hem 1 hem de 0’da bulunur. Bu özellik, kuantum bilgisayarların, klasik bir bilgisayarın tamamlamasının çok uzun zaman alacağı karmaşık hesaplamaları verimli bir şekilde gerçekleştirmesini sağlar.
Chou, “Qubit’ler, örneğin tek fotonlar gibi tek bir bilgi uyarımını manipüle ederek çalışır” dedi. “Yani, tek uyarımlar gibi küçük enerji paketleriyle çalışıyorsanız, dış parazitlere karşı çok daha duyarlısınız.”
Akash Dixit, karanlık maddeyi aramak için kuantum bilgisayarları kullanan ekipte çalışıyor. Burada Dixit, süper iletken bir kübit içeren bir mikrodalga boşluğuna sahiptir. Mikrodalga fırın kapağındaki ekranın delikleri olduğu gibi, boşluğun yan tarafında delikler vardır; delikler mikrodalgaların kaçması için çok küçük. Kredi bilgileri: Ryan Postel, Fermilab
Qubit’lerin bu kuantum seviyelerinde çalışması için, onları dış müdahalelerden koruyan ve sürekli soğuk sıcaklıklarda tutan, dikkatle kontrol edilen ortamlarda bulunmaları gerekir. En ufak bir rahatsızlık bile bir kuantum bilgisayardaki bir programı devre dışı bırakabilir. Aşırı hassasiyetleriyle Chou, kuantum bilgisayarların karanlık maddeyi tespit etmenin bir yolunu sağlayabileceğini fark etti. Diğer karanlık madde detektörlerinin kuantum bilgisayarlarla aynı şekilde korunması gerektiğini fark etti ve bu da fikri daha da sağlamlaştırdı.
Chou, “Hem kuantum bilgisayarlar hem de karanlık madde dedektörleri ağır bir şekilde korunmalı ve içinden geçebilecek tek şey karanlık maddedir” dedi. “Yani, eğer insanlar aynı gereksinimlere sahip kuantum bilgisayarlar yapıyorsa, ‘neden bunları karanlık madde detektörü olarak kullanmıyorsunuz?’ diye sorduk.”
Hataların en hoş karşılandığı yer
Karanlık madde parçacıkları güçlü bir manyetik alandan geçtiğinde, Chou ve ekibinin alüminyum foton boşluklarının içindeki süper iletken kübitlerle ölçebileceği fotonlar üretebilir. Kübitler diğer tüm dış etkenlerden korunduğu için, bilim adamları bir fotondan kaynaklanan bir bozulma tespit ettiklerinde, bunun koruyucu katmanlardan geçen karanlık maddenin bir sonucu olduğu sonucuna varabilirler.
“Bu rahatsızlıklar, bilgisayara herhangi bir bilgi yüklemediğiniz, ancak bir şekilde bilgilerin ortaya çıktığı, cihazın içinden uçan parçacıklardan birlere dönüşen sıfırlar gibi hatalar olarak ortaya çıkıyor” dedi.
Bilim adamı Aaron Chou, süper iletken kübitleri ve boşlukları kullanarak karanlık maddeyi arayan deneye liderlik ediyor. Kredi bilgileri: Reidar Hahn, Fermilab
Şimdiye kadar Chou ve ekibi, tekniğin nasıl çalıştığını ve cihazın bu fotonlara inanılmaz derecede duyarlı olduğunu gösterdi. Yöntemlerinin diğer sensörlere göre avantajları vardır; örneğin, aynı fotonun birden fazla ölçümünü yaparak bir bozukluğun başka bir tesadüften kaynaklanmadığından emin olmak gibi. Cihaz ayrıca, karanlık madde sinyallerine karşı yüksek hassasiyet sağlayan ultra düşük bir gürültü seviyesine sahiptir.
En ufak bir rahatsızlık bile bir kuantum bilgisayardaki bir programı devre dışı bırakabilir. Aşırı hassasiyetleriyle Aaron Chou, kuantum bilgisayarların karanlık maddeyi tespit etmenin bir yolunu sağlayabileceğini fark etti.
Chou, “Yüksek enerji fiziği topluluğundan bu ayarlanabilir kutuların nasıl yapıldığını biliyoruz ve bu kübitlerin sensör olarak kullanılmasına yönelik teknolojiyi anlamak ve aktarmak için kuantum hesaplama insanlarıyla birlikte çalıştık” dedi.
Buradan, bir karanlık madde algılama deneyi geliştirmeyi ve cihazın tasarımını geliştirmeye devam etmeyi planlıyorlar.
Karanlık maddeyi yakalamak için safir boşlukları kullanma
Chou, “Bu aparat, fotonları tek bir frekansta tutan kutudaki sensörü test ediyor” dedi. “Bir sonraki adım, bu kutuyu, kutunun boyutlarını değiştirebileceğimiz bir tür radyo alıcısına dönüştürmek için değiştirmek.”
Foton boşluğunun boyutlarını değiştirerek, karanlık madde tarafından üretilen farklı dalga boylarındaki fotonları algılayabilecektir.
Bu yeni safir foton boşlukları, ekibin hem fizik hem de kuantum biliminin özelliklerini birleştiren karanlık madde deneyleri yürütmesine yardımcı olacak. Kredi bilgileri: Ankur Agrawal, Chicago Üniversitesi
“Kutu içinde yaşayabilecek dalgalar, kutunun genel boyutu tarafından belirlenir. Chou, “Kara maddenin hangi frekanslarını ve hangi dalga boylarını aramak istediğimizi değiştirmek için aslında kutunun boyutunu değiştirmemiz gerekiyor” dedi. “Şu anda yaptığımız iş bu; farklı frekanslarda karanlık maddeye uyum sağlayabilmek için farklı bölümlerinin uzunluklarını değiştirebileceğimiz kutular yarattık.”
Araştırmacılar ayrıca farklı malzemelerden yapılmış boşluklar geliştiriyorlar. Geleneksel alüminyum foton boşlukları, karanlık madde parçacıklarından foton üretmek için gerekli manyetik alanın varlığında süper iletkenliklerini kaybederler.
“Bu boşluklar yüksek manyetik alanlarda yaşayamaz” dedi. “Yüksek manyetik alanlar süper iletkenliği yok ediyor, bu yüzden sentetik safirden yapılmış yeni bir oyuk yaptık.”
Bu yeni, ayarlanabilir safir foton boşluklarını geliştirmek, ekibi hem fizik hem de kuantum biliminin özelliklerini birleştiren karanlık madde deneyleri yürütmeye yaklaştıracak.