Đã gần một thế kỷ trôi qua kể từ khi vật chất tối lần đầu tiên được đề xuất để giải thích chuyển động của các cụm thiên hà, nhưng các nhà vật lý vẫn chưa biết nó được làm từ gì.
Các nhà nghiên cứu trên khắp thế giới đã chế tạo hàng chục máy dò với hy vọng phát hiện ra vật chất tối, một trong số đó là HAYSTAC. Nhưng bất chấp hàng thập kỷ nỗ lực thử nghiệm, các nhà khoa học vẫn chưa xác định được tỷ lệ vật chất tối.
Cho đến nay, việc tìm kiếm vật chất tối đã nhận được một sự thúc đẩy khó có thể xảy ra từ các công nghệ được sử dụng trong nghiên cứu điện toán lượng tử. Trong một bài báo mới đăng trên tạp chí Nature, nhóm HAYSTAC mô tả cách họ sử dụng một thủ thuật lượng tử nhỏ để tăng gấp đôi tốc độ mà máy dò có thể tìm kiếm vật chất tối. Kết quả là tăng thêm tốc độ rất cần thiết cho cuộc săn tìm hạt bí ẩn này.
Có bằng chứng thuyết phục từ vật lý thiên văn và vũ trụ học rằng một chất chưa biết được gọi là vật chất tối chiếm hơn 80% vật chất trong vũ trụ. Các nhà vật lý lý thuyết đã đề xuất hàng tá hạt cơ bản mới có thể giải thích vật chất tối. Nhưng để xác định lý thuyết nào trong số này là đúng, các nhà nghiên cứu phải tạo ra các máy dò khác nhau để kiểm tra từng loại.
Một lý thuyết nổi bật cho rằng vật chất tối được tạo thành từ các hạt chưa được đưa ra giả thuyết gọi là axion, chúng hoạt động chung giống như một làn sóng vô hình dao động trong không gian ở một tần số rất cụ thể. Máy dò trục, bao gồm cả HAYSTAC, hoạt động giống như máy thu thanh, nhưng thay vì chuyển đổi sóng vô tuyến thành âm thanh, chúng tìm cách chuyển đổi sóng trục thành sóng điện từ. Cụ thể, máy dò trục đo hai đại lượng được gọi là cầu phương của trường điện từ. Những cầu phương này là hai loại dao động khác nhau trong sóng điện từ sẽ xảy ra với sự có mặt của các trục.
Vấn đề chính trong việc tìm kiếm các axion là không ai biết tần số của sóng axion giả định. Các nhà khoa học điều chỉnh máy dò của họ theo nhiều dải tần số theo các bước riêng biệt. Mỗi bước chỉ có thể bao gồm một phạm vi rất nhỏ tần số trục có thể. Phạm vi nhỏ này là băng thông của máy dò.
Tín hiệu trục - ngay cả trong các máy dò nhạy cảm nhất - sẽ cực kỳ yếu so với tín hiệu tĩnh từ các dao động điện từ ngẫu nhiên, mà các nhà vật lý gọi là nhiễu. Càng nhiều tiếng ồn, máy dò phải ở mỗi bước thiết lập càng lâu để nghe tín hiệu trục.
Cũng thú vị:
- Người Đức sẽ tạo ra một máy tính lượng tử dựa trên các qubit siêu dẫn
- Các nhà khoa học đang phát triển một loại máy tính lượng tử quang học mới
Máy dò chỉ có thể điều chỉnh từ 88 đến 108 megahertz (một megahertz bằng một triệu hertz). Ngược lại, tần số của các trục có thể từ 300 đến 300 tỷ hertz. Với tốc độ hoạt động của các máy dò ngày nay, có thể mất hơn 10 năm để tìm ra các trục hoặc để chứng minh rằng chúng không tồn tại.
Các mạch siêu dẫn đặc biệt được sử dụng trong điện toán lượng tử có thể giúp các máy dò lọc nhiễu có thể che khuất tín hiệu của trục.
Vào năm 2012, nhóm HAYSTAC đã quyết định tăng tốc độ tìm kiếm các trục bằng cách làm mọi thứ có thể để giảm tiếng ồn. Nhưng vào năm 2017, chúng đã đạt đến giới hạn nhiễu tối thiểu cơ bản do một định luật vật lý lượng tử được gọi là nguyên lý bất định.
Nguyên lý bất định phát biểu rằng không thể đồng thời biết chính xác các giá trị của một số đại lượng vật lý nào đó – chẳng hạn, bạn không thể đồng thời biết vị trí và động lượng của một hạt. Hãy nhớ lại rằng các máy dò trục tìm kiếm một trục bằng cách đo hai góc vuông - những loại dao động trường điện từ đặc biệt này. Nguyên lý bất định ngăn cấm kiến thức chính xác về cả hai phương trình cầu phương, thêm một lượng nhiễu tối thiểu vào dao động phương trình.
Trong các máy dò thông thường, nhiễu lượng tử che giấu cả hai cầu phương bằng nhau do nguyên lý bất định. Tiếng ồn này không thể được loại bỏ, nhưng với các công cụ phù hợp, nó có thể được kiểm soát. Nhóm đã phát triển một cách để bỏ qua nhiễu lượng tử trong máy dò HAYSTAC, giảm ảnh hưởng của nó đối với một bậc hai và tăng hiệu ứng của nó đối với một bậc hai. Phương pháp xử lý nhiễu này được gọi là nén lượng tử.
Nhóm HAYSTAC nhận nhiệm vụ thực hiện quá trình nén trong máy dò, sử dụng công nghệ mạch siêu dẫn vay mượn từ nghiên cứu điện toán lượng tử. Trong kết quả mới nhất của họ, các nhà khoa học đã sử dụng tính năng nén để tăng gấp đôi thông lượng của HAYSTAC, cho phép họ tìm kiếm các trục nhanh gấp đôi. Một lần nén lượng tử duy nhất là không đủ để quét tất cả các trục tần số có thể có trong một thời gian hợp lý. Nhưng tăng gấp đôi tốc độ quét là một bước tiến lớn đúng hướng.
Không ai biết liệu các trục có tồn tại hay liệu chúng có giải đáp được bí ẩn về mẹ tối hay không, nhưng nhờ ứng dụng bất ngờ này của công nghệ lượng tử, chúng ta đang tiến một bước gần hơn đến việc trả lời những câu hỏi này.
Đọc thêm:
- Các nhà vật lý sẽ tìm kiếm lượng tử làm chậm thời gian bên trong lò phản ứng hạt nhân
- Máy tính lượng tử của IBM hiện hoàn thành một số nhiệm vụ trong vài giờ thay vì vài tháng