設計新的暗物質(zhì)探測器：機器學(xué)習提高量子傳感器對暗物質(zhì)的靈敏度

如何探測暗物質(zhì)——一種可能占宇宙中所有物質(zhì)六分之五的不可見(jiàn)、幾乎無(wú)形的物質(zhì)？暗物質(zhì)應該就在我們身邊，對正常物質(zhì)產(chǎn)生微小的影響，但到目前為止，搜索都是空的。但一項新的研究表明， 采用機器學(xué)習的策略可以幫助量子傳感器最終追捕它。這種超靈敏傳感器還可能具有其他應用，例如無(wú) GPS 導航、探測地下掩體以及發(fā)現 大爆炸后時(shí)刻的時(shí)空引力紋波。

我們知道暗物質(zhì)的存在是因為它對星系運動(dòng)的引力影響。但我們不知道它是由什么組成的，也不知道它如何與構成你或我的日常顆粒相互作用。盡管科學(xué)家們已經(jīng)為暗物質(zhì)的潛在組成和精確特性設想了數十種模型，但這些建議中的大多數都預測了對正常粒子的極小影響。檢測這些微小相互作用的一種可能性是量子傳感器。量子效應容易受到外部干擾，量子傳感器利用這種脆弱性來(lái)響應環(huán)境中最輕微的干擾，例如暗物質(zhì)和正常物質(zhì)之間的相互作用。

這項新研究的重點(diǎn)是原子干涉儀，這是一種量子傳感器，它依賴(lài)于一種稱(chēng)為疊加的效應，其中一個(gè)原子基本上可以同時(shí)存在于兩個(gè)或多個(gè)地方。傳感器具有這些薛定諤貓狀狀態(tài)，其中原子沿著(zhù)不同的路徑飛行，然后重新組合。由于粒子波二象性（粒子可以像波一樣作用的量子現象，反之亦然），這些原子相互干涉，它們的波峰和波谷相互抑制或增強。檢查這種干擾可以揭示在不同旅程中經(jīng)歷的略有不同的運動(dòng)的程度。

科學(xué)家們用來(lái)提高這些干涉儀靈敏度的一種方法依賴(lài)于這些傳感器采用的激光脈沖來(lái)分裂原子波并將它們相互反射回來(lái)。這些激光脈沖取代了光學(xué)干涉測量中的傳統反射鏡。伊利諾伊州埃文斯頓西北大學(xué)（Northwestern University）物理學(xué)和天文學(xué)助理教授蒂莫西·科瓦奇（Timothy Kovachy）說(shuō)，每次原子波從這些短暫的鏡子中反彈時(shí)，“我們正在尋找的信號就會(huì )被放大，就像光信號在鏡面腔中反彈時(shí)被放大一樣。

然而，原子波可以經(jīng)歷這種反射的次數取決于原子鏡的質(zhì)量，“制作一個(gè)好的原子鏡相當困難，”Kovachy 說(shuō)。

現在，在這項新研究中，Kovachy 和他的同事揭示了一種增加原子鏡可能反射數量的策略。使用機器學(xué)習，新方法不是從最多 10 個(gè)大約 10 個(gè)激光脈沖的序列中反射原子波，而是支持大約 500 個(gè)脈沖的序列。

更靈敏的原子干涉儀

新策略“并不堅持制造完美的原子鏡，”科瓦奇說(shuō)?！跋喾?，它正在尋找一種方法來(lái)改善許多不同原子鏡的集體凈努力，補償每個(gè)單獨原子鏡的缺陷?！苯Y果是原子干涉儀在實(shí)驗室測試中的性能提高了 50 倍。

“當我們開(kāi)始這項工作時(shí)，我真的沒(méi)有想過(guò)會(huì )得到這種程度的改進(jìn)，”Kovachy 說(shuō)?！爱斢畜@喜時(shí)，總是很高興?！?/p>

Kovachy 說(shuō)，研究人員現在希望通過(guò)“使用原子干涉儀對暗物質(zhì)的第一次重大搜索活動(dòng)”來(lái)實(shí)施他們的新技術(shù)，該活動(dòng)目前正在建設中?！拔覀冾A計第一批搜索將在三到五年左右的時(shí)間里上線(xiàn)。我們希望與更好的原子光學(xué)相結合，將它們的靈敏度提高到原子干涉儀現在的能力可能高出幾個(gè)數量級。

Kovachy 說(shuō)，更精確的原子干涉儀可能還有其他應用，例如無(wú) GPS 導航。幫助啟用全球導航衛星系統的衛星鏈路在水下或地下都不起作用，即使它們工作，也容易受到干擾、欺騙和天氣的影響。量子運動(dòng)傳感器可以幫助作為慣性導航系統的基礎，該系統不依賴(lài)任何外部信號。

Kovachy 補充說(shuō)，原子干涉儀還可以幫助測量地球引力場(chǎng)的強度，該強度在地球表面可能會(huì )有所不同，具體取決于其下方集中的質(zhì)量。這種重力傳感器的潛在應用包括查看隱藏的地下結構、檢測地下自然資源、發(fā)現地下考古遺址以及監測火山活動(dòng)和地下水流。

“我真的沒(méi)想過(guò)會(huì )有這種程度的改善?！?/strong>—Timothy Kovachy，美國西北大學(xué)

正在開(kāi)發(fā)中的 100 米高甚至大型原子干涉儀（相比之下，標準原子干涉儀只有 1 或 2 米高）有朝一日甚至可能有助于探測時(shí)空漣漪，稱(chēng)為引力波?？茖W(xué)家們于 2015 年使用激光干涉儀引力波天文臺 （LIGO） 發(fā)現了這些波的第一個(gè)直接證據，這可能是由兩個(gè)黑洞碰撞引起的。Kovachy 說(shuō)，原子干涉儀理論上可以檢測到來(lái)自明顯不同事件的引力波，例如被稱(chēng)為膨脹的神秘時(shí)代，當時(shí)宇宙在大爆炸后不久經(jīng)歷了巨大的增長(cháng)突增。

未來(lái)的研究應該使用不同類(lèi)型的原子干涉儀來(lái)研究這項新技術(shù)。在這項新研究中，科學(xué)家們試驗了一種基于鍶原子的裝置，但“銣原子絕對是原子干涉測量的主力軍，”科瓦奇說(shuō)。