新南威尔士大学开发的挤压装置用于降低噪声，以实现更精确的测量。图片来源：新南威尔士大学

新南威尔士大学的量子工程师开发了一种新的放大器，可以帮助其他科学家寻找难以捉摸的暗物质粒子。

想象一下扔一个球。你会期望科学能够在任何给定时刻计算出它的确切速度和位置，对吧？量子力学理论说，你实际上不可能同时以无限的精度知道两者。

事实证明，随着您更精确地测量球的位置，知道它的速度变得越来越不准确。

这个难题通常被称为海森堡不确定性原理，以著名物理学家维尔纳·海森堡的名字命名，他首先描述了它。

对于球来说，这种效应是难以察觉的，但在小电子和光子的量子世界中，测量不确定度突然变得非常显着。

这是悉尼新南威尔士大学的一个工程师团队正在解决的问题，他们开发了一种放大设备，可以对非常微弱的微波信号进行精确测量，并且通过一种称为挤压的过程来实现。

微波挤压

压缩涉及降低信号的一个属性的确定性，以获得另一个属性的超精确测量值。

新南威尔士大学由副教授贾里德·普拉（Jarryd Pla）领导的研究小组显着提高了测量微波频率信号的精度，例如手机发出的信号，达到了创造新的世界纪录的地步。

测量任何信号的精度从根本上受到噪声的限制。噪音是潜入并掩盖信号的模糊感，如果您在收听 AM 或 FM 广播时冒险超出范围，您可能会遇到过这种情况。

然而，量子世界的不确定性意味着在测量中可以产生多低的噪声是有限制的。

“即使在真空中，一个没有一切的空间，不确定性原理告诉我们，我们仍然必须有噪音。我们称之为“真空”噪声。对于许多量子实验来说，真空噪声是阻止我们进行更精确测量的主要影响，“新南威尔士大学电气工程与电信学院的副教授Pla说，他是发表在《自然通讯》上的一篇论文的合著者。

新南威尔士大学团队生产的挤压机可以打破这一量子极限。

“该设备放大了一个方向的噪声，因此另一个方向的噪声显着降低或'压缩'。把噪音想象成一个网球，如果我们垂直拉伸它，那么它必须沿水平方向减小以保持其音量。然后，我们可以使用噪声的减少部分进行更精确的测量，“Pla副教授说。

“至关重要的是，我们证明了挤压机能够将噪音降低到创纪录的低水平。”

该设备是艰苦工作的结果。博士候选人Arjen Vaartjes与新南威尔士大学的同事Anders Kringhøj博士和Wyatt Vine博士一起是该论文的共同主要作者，他补充说：“在微波频率下挤压非常困难，因为所使用的材料往往很容易破坏脆弱的挤压噪声。

“我们所做的是大量的工程设计，以消除损耗源，这意味着利用非常高质量的超导材料来构建放大器。

研究小组认为，这种新设备可以帮助加快对被称为轴子的臭名昭著的难以捉摸的粒子的搜索，到目前为止，这些粒子只是理论上的，但被许多人提出为神秘暗物质的秘密成分。

轴子测量

进行精确测量是科学家试图发现暗物质构成的领域，暗物质被认为占已知宇宙的27%左右，但由于科学家无法真正识别它，因此仍然是一个宇宙之谜。

顾名思义，它既不发射也不吸收光，这就是它“看不见”的原因。但物理学家认为它一定在那里，施加引力，否则星系就会飞散。

关于暗物质可能由什么组成，有许多不同的理论，包括所谓的轴子的存在。

轴子本身也从未被发现，理论上它们几乎是深不可测的小，作为单个粒子的质量极低，因此几乎无法察觉地与其他已知物质相互作用。

然而，一个想法预测，当暴露在大磁场中时，轴子应该会产生非常微弱的微波信号。科学家们正在使用高度灵敏的设备并进行细致的测量，试图发现这些微小的信号。

但正如普拉副教授所说，“当试图探测像轴子一样幽灵般的粒子时，即使是真空噪声也会震耳欲聋。

新南威尔士大学在挤压方面所做的工作意味着这些测量现在可以以六倍的速度完成，从而提高了发现难以捉摸的轴子的机会。

“Axion 探测器可以使用挤压器来降低噪声并加快测量速度。我们的结果表明，这些实验现在可以比以前更快地进行，“Pla副教授说。

“科学家们可以看到暗物质对星系的影响，但从来没有人发现过它。除非你物理测量一个轴子，否则它将永远只是一个关于暗物质如何表现的理论。

用途广泛

联合主要作者Vine博士说，该团队的新放大设备还有其他应用。

“我们在研究中还表明，该设备可以在比以前的挤压机更高的温度下运行，也可以在大磁场中运行，”Vine博士说。

“这为将其应用于光谱学等技术打开了大门，光谱学用于研究新材料和蛋白质等生物系统的结构。压缩噪声意味着您可以研究更小的体积或更精确地测量样品。

Kringhøj博士指出，压缩噪声本身甚至可以用于未来的量子计算机。

“事实证明，压缩真空噪声是构建某种类型的量子计算机的一种成分。令人兴奋的是，我们实现的压缩水平与构建这样一个系统所需的数量相差不远，“他说。

更多信息：Arjen Vaartjes 等人，强微波挤压超过 1 特斯拉和 1 开尔文，Nature Communications （2024）。DOI： 10.1038/s41467-024-48519-3

期刊信息： Nature Communications