Avance del Departamento de Energía de EE. UU.: detección de materia oscura con computadoras cuánticas

Aug 22, 2023

Por Fermi National Accelerator Laboratory 6 de diciembre de 2022

En un nuevo avance, los científicos del Fermilab del Departamento de Energía de EE. UU. han encontrado una manera de detectar la materia oscura utilizando computadoras cuánticas.

La materia oscura constituye aproximadamente el 27% del presupuesto de materia y energía en el universo, pero los científicos no saben mucho al respecto. Saben que hace frío, lo que significa que las partículas que componen la materia oscura se mueven lentamente. También es difícil detectar directamente la materia oscura porque no interactúa con la luz. Sin embargo, los científicos del Fermi National Accelerator Laboratory (Fermilab) del Departamento de Energía de EE. UU. han descubierto una forma de usar computadoras cuánticas para buscar materia oscura.

Aaron Chou, a senior scientist at Fermilab, works on detecting dark matter through quantum science. As part of DOE's Office of High Energy Physics QuantISED program, he has developed a way to use qubits, the main component of quantum computingPerforming computation using quantum-mechanical phenomena such as superposition and entanglement." data-gt-translate-attributes="[{"attribute":"data-cmtooltip", "format":"html"}]">sistemas de computación cuántica, para detectar fotones individuales producidos por la materia oscura en presencia de un fuerte campo magnético.

Una computadora clásica procesa información con bits binarios establecidos en 1 o 0. El patrón específico de unos y ceros hace posible que la computadora realice ciertas funciones y tareas. Sin embargo, en la computación cuántica, los qubits existen tanto en 1 como en 0 simultáneamente hasta que se leen, debido a una propiedad mecánica cuántica conocida como superposición. Esta propiedad permite que las computadoras cuánticas realicen eficientemente cálculos complejos que una computadora clásica tardaría una enorme cantidad de tiempo en completar.

"Los qubits funcionan manipulando excitaciones individuales de información, por ejemplo, fotones individuales", dijo Chou. "Entonces, si está trabajando con paquetes de energía tan pequeños como excitaciones individuales, es mucho más susceptible a las perturbaciones externas".

Akash Dixit trabaja en el equipo que usa computadoras cuánticas para buscar materia oscura. Aquí, Dixit sostiene una cavidad de microondas que contiene un qubit superconductor. La cavidad tiene agujeros en su costado de la misma manera que la pantalla de la puerta de un horno de microondas tiene agujeros; los agujeros son simplemente demasiado pequeños para que escapen las microondas. Crédito: Ryan Postel, Fermilab

Para que los qubits funcionen a estos niveles cuánticos, deben residir en entornos cuidadosamente controlados que los protejan de la interferencia externa y los mantengan a temperaturas frías constantes. Incluso la más mínima perturbación puede desbaratar un programa en una computadora cuántica. Con su extrema sensibilidad, Chou se dio cuenta de que las computadoras cuánticas podrían proporcionar una forma de detectar la materia oscura. Reconoció que otros detectores de materia oscura deben protegerse de la misma manera que las computadoras cuánticas, lo que solidifica aún más la idea.

"Tanto las computadoras cuánticas como los detectores de materia oscura deben estar fuertemente protegidos, y lo único que puede atravesar es la materia oscura", dijo Chou. "Entonces, si las personas están construyendo computadoras cuánticas con los mismos requisitos, preguntamos '¿por qué no pueden usarlas como detectores de materia oscura?'".

When dark matter particles traverse a strong magnetic field, they may produce photons that Chou and his team can measure with superconducting qubits inside aluminum photonA photon is a particle of light. It is the basic unit of light and other electromagnetic radiation, and is responsible for the electromagnetic force, one of the four fundamental forces of nature. Photons have no mass, but they do have energy and momentum. They travel at the speed of light in a vacuum, and can have different wavelengths, which correspond to different colors of light. Photons can also have different energies, which correspond to different frequencies of light." data-gt-translate-attributes="[{"attribute":"data-cmtooltip", "format":"html"}]"> cavidades de fotones. Debido a que los qubits han sido protegidos de todas las demás perturbaciones externas, cuando los científicos detectan una perturbación de un fotón, pueden inferir que fue el resultado de la materia oscura que atraviesa las capas protectoras.

"Estas perturbaciones se manifiestan como errores en los que no cargaste ninguna información en la computadora, pero de alguna manera apareció información, como ceros que se convierten en unos de partículas que vuelan a través del dispositivo", dijo.

El científico Aaron Chou lidera el experimento que busca materia oscura utilizando qubits y cavidades superconductoras. Crédito: Reidar Hahn, Fermilab

Hasta ahora, Chou y su equipo han demostrado cómo funciona la técnica y que el dispositivo es increíblemente sensible a estos fotones. Su método tiene ventajas sobre otros sensores, como la posibilidad de realizar múltiples mediciones del mismo fotón para garantizar que una perturbación no haya sido causada simplemente por otra casualidad. El dispositivo también tiene un nivel de ruido ultrabajo, lo que permite una mayor sensibilidad a las señales de materia oscura.

Incluso la más mínima perturbación puede desbaratar un programa en una computadora cuántica. Con su extrema sensibilidad, Aaron Chou se dio cuenta de que las computadoras cuánticas podrían proporcionar una forma de detectar la materia oscura.

"Sabemos cómo hacer estas cajas sintonizables de la comunidad de física de alta energía, y trabajamos junto con la gente de computación cuántica para comprender y transferir la tecnología para que estos qubits se usen como sensores", dijo Chou.

A partir de aquí, planean desarrollar un experimento de detección de materia oscura y seguir mejorando el diseño del dispositivo.

"Este aparato prueba el sensor en la caja, que contiene fotones con una sola frecuencia", dijo Chou. "El siguiente paso es modificar esta caja para convertirla en una especie de receptor de radio en el que podemos cambiar las dimensiones de la caja".

Al alterar las dimensiones de la cavidad de fotones, podrá detectar diferentes longitudes de onda de los fotones producidos por la materia oscura.

Estas nuevas cavidades de fotones de zafiro ayudarán a acercar al equipo a la realización de experimentos de materia oscura que combinen aspectos tanto de la física como de la ciencia cuántica. Crédito: Ankur Agrawal, Universidad de Chicago

"Las ondas que pueden vivir en la caja están determinadas por el tamaño total de la caja. Para cambiar las frecuencias y las longitudes de onda de la materia oscura que queremos buscar, en realidad tenemos que cambiar el tamaño de la caja", dijo. Chou. "Ese es el trabajo que estamos haciendo actualmente; hemos creado cajas en las que podemos cambiar la longitud de diferentes partes para poder sintonizar la materia oscura en diferentes frecuencias".

Los investigadores también están desarrollando cavidades hechas de diferentes materiales. Las cavidades de fotones de aluminio tradicionales pierden su superconductividad en presencia del campo magnético necesario para producir fotones a partir de partículas de materia oscura.

"Estas cavidades no pueden vivir en campos magnéticos altos", dijo. "Los campos magnéticos altos destruyen la superconductividad, por lo que hemos creado una nueva cavidad hecha de zafiro sintético".

El desarrollo de estas nuevas cavidades de fotones de zafiro sintonizables acercará al equipo a la ejecución de experimentos de materia oscura que combinan aspectos tanto de la física como de la ciencia cuántica.