暗光子暗物质搜寻领域获重要进展

4月30日，记者从深圳国际量子研究院获悉，在中国科学院院士俞大鹏的带领下，该院研究员徐源、刘松联合北京大学教授舒菁，在暗光子暗物质搜寻领域取得重要实验进展。研究团队在高品质因子铌基超导微波谐振腔中开发出基于四脚薛定谔猫态的暗光子暗物质探测方案，实现量子增强的暗物质搜寻，为下一代高灵敏度暗光子暗物质搜寻实验奠定了重要技术基础。相关成果于29日发表在《物理评论快报》上。

基于猫态的量子增强暗物质搜寻概念图。研究团队供图

暗物质是宇宙的重要组成成分，虽然其存在性已被诸多天文学和宇宙学方面的观测证据所证实，然而它的微观性质本质仍是现代物理学中的一大未解之谜。

研究团队开发出基于高品质因子铌基超导微波谐振腔的量子增强暗物质探测器，用于探测弥漫在空间中的超轻波动性暗光子暗物质。

研究团队发现，当暗光子的质量与探测器的共振频率相匹配时，暗光子将以正比于动力学混合角的概率转化为谐振腔中的普通光子，从而被探测到。通过探测谐振腔中光子产生速率，便可推算暗光子动力学混合角的上限。

该研究开发了基于四脚薛定谔猫态的暗物质探测实验方案，实现量子增强的高灵敏度暗光子暗物质搜寻。四脚猫态的模四宇称性质使探测器具备区分光子产生信号和谐振腔单光子丢失错误的能力，从而提升了光子探测的信噪比。

同时，研究团队在实验中成功制备出高保真度的四脚薛定谔猫态作为探测初态，并利用重复的量子非破坏性宇称测量以及隐马尔可夫模型分析等手段对探测器进行了系统表征。通过提高四脚猫态的平均光子数，实验展示了相比真空态提升了高达8.1倍的光子产生速率，极大地提高了暗光子探测效率。

在此基础上，团队开展了暗光子暗物质的搜寻实验研究，通过测量暗物质的相干积分信号，最终实现在6.44GHz频率下对暗光子动力学混合角高达7.32×10^{-16}的限制。

此外，团队进一步开发了基于失谐边带驱动的频率调节方法，并应用于暗光子暗物质的扫频探测，利用不同频率下测得的光子产生速率联合分析进一步压低背景噪声，实现了在100kHz频率范围内的高灵敏度暗物质搜寻，获得了10^{-16}量级的暗光子动力学混合角限制，优于之前相关研究结果1个数量级以上。

据悉，该成果有望进一步推动量子增强精密测量技术在未来暗物质搜寻等前沿基础物理领域中的重要应用。