Avanço do Departamento de Energia dos EUA: detecção de matéria escura com computadores quânticos

Aug 22, 2023

Por Fermi National Accelerator Laboratory, 6 de dezembro de 2022

Em uma nova descoberta, cientistas do Fermilab do Departamento de Energia dos EUA descobriram uma maneira de detectar a matéria escura usando computadores quânticos.

A matéria escura compõe cerca de 27% do orçamento de matéria e energia do universo, mas os cientistas não sabem muito sobre isso. Eles sabem que é frio, o que significa que as partículas que compõem a matéria escura se movem lentamente. Também é difícil detectar a matéria escura diretamente porque ela não interage com a luz. No entanto, cientistas do Fermi National Accelerator Laboratory (Fermilab) do Departamento de Energia dos EUA descobriram uma maneira de usar computadores quânticos para procurar matéria escura.

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 computação quântica, para detectar fótons únicos produzidos pela matéria escura na presença de um forte campo magnético.

Um computador clássico processa informações com bits binários definidos como 1 ou 0. O padrão específico de uns e zeros permite que o computador execute certas funções e tarefas. Na computação quântica, no entanto, os qubits existem em 1 e 0 simultaneamente até serem lidos, devido a uma propriedade da mecânica quântica conhecida como superposição. Essa propriedade permite que os computadores quânticos executem com eficiência cálculos complexos que um computador clássico levaria muito tempo para concluir.

“Os Qubits funcionam manipulando excitações únicas de informação, por exemplo, fótons únicos”, disse Chou. "Portanto, se você estiver trabalhando com pequenos pacotes de energia como excitações únicas, ficará muito mais suscetível a distúrbios externos."

Akash Dixit trabalha na equipe que usa computadores quânticos para procurar matéria escura. Aqui, Dixit contém uma cavidade de micro-ondas contendo um qubit supercondutor. A cavidade tem furos nas laterais da mesma forma que a tela da porta do forno de micro-ondas tem furos; os orifícios são simplesmente muito pequenos para que as micro-ondas escapem. Crédito: Ryan Postel, Fermilab

Para que os qubits operem nesses níveis quânticos, eles devem residir em ambientes cuidadosamente controlados que os protejam de interferências externas e os mantenham em temperaturas consistentemente frias. Mesmo a menor perturbação pode prejudicar um programa em um computador quântico. Com sua extrema sensibilidade, Chou percebeu que os computadores quânticos poderiam fornecer uma maneira de detectar a matéria escura. Ele reconheceu que outros detectores de matéria escura precisam ser protegidos da mesma forma que os computadores quânticos, solidificando ainda mais a ideia.

“Tanto os computadores quânticos quanto os detectores de matéria escura precisam ser fortemente protegidos, e a única coisa que pode atravessar é a matéria escura”, disse Chou. "Então, se as pessoas estão construindo computadores quânticos com os mesmos requisitos, perguntamos 'por que você não pode simplesmente usá-los como detectores de matéria escura?'"

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"}]"photon cavities. Because the qubits have been shielded from all other outside disturbances, when scientists detect a disturbance from a photon, they can infer that it was the result of dark matter flying through the protective layers./p>