【儀表網(wǎng) 研發(fā)快訊】中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)自旋磁共振實(shí)驗(yàn)室周經(jīng)緯、榮星等人基于超導(dǎo)量子比特體系，提出一種可擴(kuò)展的暗物質(zhì)搜尋架構(gòu)，并成功在多比特超導(dǎo)量子芯片上完成了原理性實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。該研究成果以“Scalable architecture for dark photon searches: Superconducting-qubit proof of principle”為題，10月29日發(fā)表在《物理評(píng)論快報(bào)》上。
 

　　現(xiàn)代天文學(xué)與宇宙學(xué)觀測表明，暗物質(zhì)約占宇宙總質(zhì)量的25%。近年來，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)可能的質(zhì)量范圍約為1-100μeV，并且與普通物質(zhì)之間僅存在極微弱的相互作用。國際上已開展一系列超輕暗物質(zhì)搜尋的實(shí)驗(yàn)研究，但是仍面臨測量范圍與探測靈敏度難以兼顧的技術(shù)挑戰(zhàn)：共振式探測器靈敏度高但探測帶寬有限，非共振式探測器雖覆蓋范圍廣卻靈敏度不足。
 

　　針對(duì)這一挑戰(zhàn)，研究團(tuán)隊(duì)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)：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)。該架構(gòu)可以實(shí)現(xiàn)對(duì)暗物質(zhì)多能區(qū)同步開展高靈敏掃描探測(圖a)，從而有望解決測量范圍與靈敏度難以兼顧的問題。研究團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)制作了三比特超導(dǎo)量子芯片，可以同時(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，并給出了相應(yīng)區(qū)間內(nèi)最嚴(yán)格的暗光子-光子耦合界限，實(shí)驗(yàn)結(jié)果相較此前基于天文觀測的界限提升了1–2個(gè)數(shù)量級(jí)(圖b)。這項(xiàng)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，為未來實(shí)現(xiàn)更寬質(zhì)量區(qū)間、更高精度的暗物質(zhì)探測提供了基礎(chǔ)。
 

圖：(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。
 

　　博士研究生康潤琪和碩士研究生胡慶沁為共同第一作者，周經(jīng)緯高級(jí)工程師和榮星教授為共同通訊作者。姑蘇實(shí)驗(yàn)室的蔡曉和于文龍博士參與了芯片的設(shè)計(jì)和加工。該研究工作得到了國家自然科學(xué)基金委、科技部等項(xiàng)目的支持。