近一个世纪后暗物质最初被提出用来解释星系团的运动，但物理学家仍然不知道它是由什么组成的。
世界各地的研究人员已经建造了数十个探测器，希望能发现暗物质。作为一名研究生，我帮助设计和操作这些探测器之一，恰如其分的命名HAYSTAC(耶鲁大学光晕仪对Axion CDM敏感)。但是，尽管经过了几十年的实验努力，科学家们仍未确定暗物质粒子。
现在，对暗物质的搜索得到了量子计算研究中使用的技术的帮助。在一个新论文发表在《自然》杂志上的一篇文章中，我和我在HAYSTAC团队的同事描述了我们如何使用一点量子技巧，将我们的探测器搜索暗物质的速度提高了一倍。我们的结果为寻找这种神秘粒子增加了急需的速度。
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正在扫描暗物质信号
有令人信服的证据从天体物理学和宇宙学的观点来看，一种被称为暗物质的未知物质构成了宇宙中80%以上的物质。理论物理学家提出几十种新的基本粒子这可以解释暗物质。但是为了确定这些理论中哪一个是正确的，研究人员需要建立不同的探测器来测试每一个。
一个著名的理论提出暗物质是由假想的粒子被称为就可以它们的共同行为就像一种无形的波，在宇宙中以特定的频率振荡。Axion探测器——包括HAYSTAC——的工作原理类似于无线电接收器，但他们的目标不是将无线电波转换成声波，而是将轴子波转换成电磁波。具体来说，轴子探测器测量两个被称为电磁场交．如果轴子存在，电磁波中就会产生两种截然不同的振荡。
寻找轴子的主要挑战是没有人知道假设的轴子波的频率。想象一下，你在一个陌生的城市，通过一次一个频率的调频频带，寻找一个特定的电台。“Axion猎手”也做着同样的事情:他们以离散的步骤在大范围的频率范围内调整探测器。每一步只能覆盖一个非常小的可能轴频率范围。这个小范围就是探测器的带宽。
调收音机通常需要在每一步暂停几秒钟，看看你是否找到了你要找的电台。如果信号很弱，而且有很多静电干扰，那就更难了。与随机电磁波动(物理学家称之为噪声)产生的静态信号相比，即使在最灵敏的探测器中，轴子信号也会非常微弱。噪音越大，探测器必须在每个调谐步骤停留更长的时间，以侦听轴信号。
不幸的是，研究人员不能指望在收音机拨盘转了几十圈后就能接收到轴子广播。调频收音机的频率只有88到108兆赫(1兆赫就是100万赫兹)。相比之下，轴子的频率可能在300赫兹到3000亿赫兹之间。速度今天的探测器找到轴子或者证明它不存在需要多长时间一万多年前．
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压缩量子噪声
在HAYSTAC团队中，我们没有那种耐心。因此，在2012年，我们开始通过尽一切可能减少噪音来加快轴子搜索的速度。但到了2017年，我们发现自己遇到了一个基本最小噪声极限因为量子物理的一个定律不确定性原理．
测不准原理指出，不可能同时知道某些物理量的精确值——例如，你不可能同时知道一个粒子的位置和动量。回想一下，轴子探测器通过测量两个平方来寻找轴子——那些特定的电磁场振荡。不确定原理通过在正交振荡中加入最小的噪声来阻止对两个正交的精确认识。
在传统的轴子探测器中，来自测不准原理的量子噪声同样地掩盖了两个正交。这种噪音无法消除，但有了正确的工具，它是可以控制的。我们的团队想出了一种方法来绕过HAYSTAC探测器中的量子噪声，减少它对一个正交的影响，同时增加它对另一个正交的影响。这种噪声处理技术叫做量子挤压．
在研究生的努力下凯利回来和丹Palken在美国，HAYSTAC团队利用量子计算研究中借鉴的超导电路技术，接受了在探测器中实现压缩的挑战。通用量子计算机仍然存在很遥远但我们的新论文表明，这种挤压技术可以立即加快暗物质的搜索速度。
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更大的带宽，更快的搜索
我们的团队成功地压缩了HAYSTAC探测器的噪声。但我们如何利用它来加速轴子搜索呢?
量子压缩并不能在轴子探测器的带宽上均匀地降低噪声。相反，它有最大的影响在边缘．想象一下，你把收音机调到88.3兆赫，但你想要的电台实际上是88.1兆赫。通过量子压缩，你可以在一个电台之外听到你最喜欢的歌曲。
在无线电广播领域，这将是一场灾难，因为不同的电台会相互干扰。但在只需要寻找一个暗物质信号的情况下，更宽的带宽可以让物理学家通过一次覆盖更多的频率来更快地搜索。在我们最新的结果中，我们使用了挤压HAYSTAC带宽的两倍这使得我们能够以以前两倍的速度搜索轴子。
量子压缩本身不足以在合理的时间内扫描所有可能的轴子频率。但将扫描速度提高一倍是朝着正确方向迈出的一大步，我们相信对量子压缩系统的进一步改进可能会使我们的扫描速度提高10倍。
没人知道轴子是否存在，也没人知道它们能否解开暗物质之谜;但多亏了量子技术的这种意想不到的应用，我们离回答这些问题又近了一步。
本杰明·布鲁巴克是科罗拉多大学博尔德分校量子物理学博士后研究员。
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