設(shè)計新的暗物質(zhì)探測器：機器學(xué)習(xí)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、幾乎無形的物質(zhì)？暗物質(zhì)應(yīng)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(xí)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(yīng)用，例如無 GPS 導(dǎo)航、探測地下掩體以及發(fā)現(xiàn) 大爆炸后時刻的時空引力紋波。

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(gòu)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(shè)想了數(shù)十種模型，但這些建議中的大多數(shù)都預(yù)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(yīng)容易受到外部干擾，量子傳感器利用這種脆弱性來響應(yīng)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。

這項新研究的重點是原子干涉儀，這是一種量子傳感器，它依賴于一種稱為疊加的效應(yīng)，其中一個原子基本上可以同時存在于兩個或多個地方。傳感器具有這些薛定諤貓狀狀態(tài)，其中原子沿著不同的路徑飛行，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(xiàn)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的程度。

科學(xué)家們用來提高這些干涉儀靈敏度的一種方法依賴于這些傳感器采用的激光脈沖來分裂原子波并將它們相互反射回來。這些激光脈沖取代了光學(xué)干涉測量中的傳統(tǒng)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，每次原子波從這些短暫的鏡子中反彈時，“我們正在尋找的信號就會被放大，就像光信號在鏡面腔中反彈時被放大一樣。

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

現(xiàn)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(shù)量的策略。使用機器學(xué)習(xí)，新方法不是從最多 10 個大約 10 個激光脈沖的序列中反射原子波，而是支持大約 500 個脈沖的序列。

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?！跋喾?，它正在尋找一種方法來改善許多不同原子鏡的集體凈努力，補償每個單獨原子鏡的缺陷。”結(jié)果是原子干涉儀在實驗室測試中的性能提高了 50 倍。

“當(dāng)我們開始這項工作時，我真的沒有想過會得到這種程度的改進，”Kovachy 說?！爱?dāng)有驚喜時，總是很高興?！?/p>

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

Kovachy 說，更精確的原子干涉儀可能還有其他應(yīng)用，例如無 GPS 導(dǎo)航。幫助啟用全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)的衛(wèi)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。量子運動傳感器可以幫助作為慣性導(dǎo)航系統(tǒng)的基礎(chǔ)，該系統(tǒng)不依賴任何外部信號。

Kovachy 補充說，原子干涉儀還可以幫助測量地球引力場的強度，該強度在地球表面可能會有所不同，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(yīng)用包括查看隱藏的地下結(jié)構(gòu)、檢測地下自然資源、發(fā)現(xiàn)地下考古遺址以及監(jiān)測火山活動和地下水流。

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

正在開發(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空漣漪，稱為引力波?？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(xiàn)了這些波的第一個直接證據(jù)，這可能是由兩個黑洞碰撞引起的。Kovachy 說，原子干涉儀理論上可以檢測到來自明顯不同事件的引力波，例如被稱為膨脹的神秘時代，當(dāng)時宇宙在大爆炸后不久經(jīng)歷了巨大的增長突增。

未來的研究應(yīng)該使用不同類型的原子干涉儀來研究這項新技術(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。