幾十年來，科學家一直在努力定義構成宇宙四分之一的物質：暗物質。隨著實驗繼續空手而歸，一個團隊希望通過將支配亞原子粒子量子力學的定律與一種叫做量子計算機的新興技術結合起來，從而找到暗物質。這正是費米實驗室科學家丹尼爾·鮑林（Daniel Bowring）進入芝加哥大學（University of Chicago）合作者大衛·舒斯特（David Schuster）量子計算實驗室的原因。

用量子計算機來尋找暗物質

今天，該實驗實驗室位於伊利諾伊州巴達維亞市外的費米實驗室內，在一個高天花板的房間裡，房間的牆壁全是白色的，倉庫的樓梯底部有一座黑色的物理裝置塔，用玻璃隔板隔開。在費米實驗室時，典型的量子計算元件就放在遠處的牆上：一個電子塔和一張桌子，桌上有一臺電腦顯示器，旁邊是一個人大小的銀製圓筒，掛在一個叫做稀釋冰箱的鋼架上，使超導元件的功能保持在絕對零度以上。當冰箱抽出液體氦氣時，房間裡迴盪著一種有節奏的尖叫聲。鮑林、費米實驗室研究員拉克希亞·哈蒂瓦達(Rakshya Khatiwada)和芝加哥大學研究生阿卡什·迪克西特(Akash Dixit)和安庫爾·阿格拉瓦爾(Ankur Agrawal)給我展示了它是如何工作的。它被稱為QISMET，是量子資訊科學計量學的簡稱。

QISMET 實驗

現在的量子計算機能力有限，只在一些主要用作隨機數發生器的人工演算法方面表現出色，儘管量子計算機制造商希望這些裝置有朝一日能解決常規計算機所不能解決的問題。但一個暗物質搜尋小組用量子計算機建造了一個暗物質探測器。他們正在建設中的費米實驗室裝置鞏固了極端感測，成為當今量子技術的最佳實際應用之一。

鮑林意識到，這項實驗結合了兩個過度炒作的物理學術語，他擔心這一領域的炒作可能會對量子科學的資助產生極大的影響。“當我告訴人們我用量子位元尋找暗物質時，”他說，“我覺得有點傻，通常努力解釋，我們誠實地講道，我們真正認為這項技術是最具吸引力的技術，使我們能夠尋找更高品質的a軸子。”

典型的暗物質實驗建造在極端的地方，比如國際空間站和深山之下，他們在那裡尋找新粒子的跡象，其中含有大量的液態氙、藍寶石晶體和碰撞粒子。也許解釋所有額外引力的最受歡迎的候選者是一類基本粒子，幾乎不與規則物質相互作用，恰當地稱之為弱相互作用的大品質粒子（WIMPs）。在尋找WiMPS的過程中，其他科學家一直在尋找另一個被稱為軸子的受歡迎的候選者。

用液態氙尋找暗物質，圖為儲存液態氙的罐

軸子很受歡迎，因為像WIMPs一樣，它們可以解決空間中暗物質的奧祕以及圍繞亞原子粒子行為的謎團。在軸子的情況下，這個問題被稱為強CP問題。把原子核結合在一起的力叫做強力，根據我們對其他力的了解，如果你用一個相同的粒子交換一個具有相反電荷（C）和宇稱（P）的粒子，物理定律就沒有理由是相同的。然而不知何故，受到強力的粒子保持了這種對稱性。20世紀60年代，物理學家羅伯託·佩切伊和海倫·奎恩設計了一種理論來解釋這些性質的明顯守恆。後來，物理學家Frank Wilczek和溫伯格意識到這個理論為一個極為輕質的新粒子提供了空間。但是，如果存在公理，它們將具有解釋“冷”暗物質的性質，這是宇宙學家認為充滿宇宙的暗物質：豐富而緩慢移動的粒子，它們只經歷長距離的引力。所以物理學家開始尋找它們的蹤跡。

伊利諾伊州費米實驗室量子位的裝置。

鮑林是軸子暗物質實驗(AdMX)成員，是最著名的軸子探測實驗主要成員之一。ADMX是一種放置在地下洞室磁場中的天線，它有一個旋轉的調諧棒，可以調節其敏感的電磁輻射的微波光子粒子的頻率。物理學家們認為，在強磁場的存在下，軸子會變成光子，而ADMX實驗則是緩慢地旋轉調諧棒，以掃描某些頻率的光子，如調諧無線電撥號盤。鮑林說，除了訊號太弱，就像試圖用地球上的一個手機塔接火星上的電話。

如果起源於光子的軸子具有高於幾千兆赫的頻率，那麼實驗中任何物體用溫度發射的光子都會淹沒訊號，甚至在放大器等元件的幫助下。放大器有其自身的侷限性；用於ADMX的放大器需要同時了解光子的相位和振幅。但是量子力學的一個核心理論，不確定性原理，說某些性質的組合不能同時精確測量，包括振幅和相位的組合。研究者只是想知道軸子是否存在，所以他們需要一個能夠最大限度地提高實驗對光子振幅的敏感性的系統，而不管它的其他屬性是什麼。

ADMX團隊成員意識到他們可以利用量子計算專業知識來解決他們的量子問題。鮑林解釋說：“光關心微波光子是不夠的，我們還需要一次關心一個微波光子的人。”這把他們帶到了量子計算界。

伊利諾伊州費米實驗室的一個量子位。

2007年，當時在耶魯大學工作的物理學家大衛·舒斯特（David Schuster）問他的導師，量子位元是否可以作為天文學的有用探測器，畢竟量子計算機的核心部件量子位元本質上只是一個超靈敏的光探測器。但他的導師迴應說，這種裝置不適用於天文學，因為除非光子神奇地出現在容納量子位的腔中，否則它無法探測到光子。舒斯特說：“它很敏感，但只擅長探測洞中的東西。”

近10年後，現任芝加哥大學教授的舒斯特在費米實驗室與另一個團隊討論超導射頻腔時，遇到了費米實驗室和ADMX物理學家Aaron Chou。Aaron Chou聽說過舒斯特的量子位元，也知道舒斯特對利用量子位元進行感知的興趣。理論認為，當軸子在一個非常強的磁場中相互作用時，它們變成光子，使它們神奇地出現在一個盒子裡。他們發現了一種應用，量子計算可以帶來一個有用的天文學實驗。

從技術意義上講，量子計算機只是用來進行計算的計算機；否則，它們的量子位元只是人造原子系統。最流行的量子位結構是由一圈超導導線組成，電流通過這些導線時沒有電阻，在一個叫做約瑟夫森結的區域內被一小塊絕緣體破壞。這些環中的每一個都遵循著量子力學的規則，就像電子在環繞原子的軌道上一樣：在一個頻率合適的光子存在下，它們進入一個激發態，在環中表示為通過導線的少量電流。但鮑林解釋說，與原子的電子不同，量子位元是響應於一系列光子頻率而不是像原子那樣的單個頻率而發光的。

圖注：超導射頻腔連線到伊利諾伊州費米實驗室的稀釋冰箱上，這是物理學家亞歷克斯·羅曼恩科進行的量子計算實驗的一部分。

QISMET並不是一臺量子計算機，因為它不做任何計算，但它基於相同的技術。QISMET超導量子位元中的每一個都是一塊玻璃，可以放在你的指尖上，上面刻有一對天線，如果你斜視的話，玻璃上的黑線是肉眼可見的。超導環是微觀的，在黑線之間看不見。

迪克西特，芝加哥大學的研究生之一，帶領我參觀軸子探測過程：首先，放置一個射頻腔，一個空的盒子，它的牆壁像鏡子一樣，在一個強磁鐵的內部捕獲光子，所以這些軸子變成了光子。如果出現光子，將該光子移入另一個包含量子位元的射頻腔（超導技術可以在強磁場中抗爭）。使用無線電脈衝一次又一次地測量量子位，看看它是否處於一個激發態，比單獨隨機性所允許的更頻繁，而且只有當磁鐵開啟時。如果是，則（除了任何其他解釋）QISMET檢測到軸子。

哈蒂瓦達告訴我，這個小團隊在不到一年的時間裡從一個空實驗室變成了一個概念驗證系統。她加入了奇斯梅爾公司，擔任ADMX的低溫電子專家，並被吸引到基於量子位元的光子感測器實驗中。她說：“我想做一個實驗，最好是尋找軸子的最敏感的實驗。”“這只是為了讓搜尋變得更好更敏感。”

QISMET遭受與其他量子計算機相同的問題，迪克西特解釋說。“我們知道量子位元可以計算光子，但它們也會犯很多錯誤。”他說,“我們想知道如何將所有這些錯誤考慮在內。”這意味著確保空穴儘可能空，並儘可能長時間儲存軸子的光子，研究人員理解量子位元可能意外地翻轉到未激發的激發態。Aaron Chou在一封電子郵件中說，研究小組可能還要一年時間才能完成實驗的糾結。

其他科學家已經開始將量子直覺納入他們自己的暗物質搜尋中，例如軸子獵物HaSTAC實驗或費米實驗室科學家亞歷克斯RoimeNo的暗SRF實驗，試圖在超導射頻腔中產生暗物質候選物，並在另一個探測腔中檢測暗物質候選物。

費米實驗室園內的退役實驗裝置。

費米拉布副首席技術官安娜·格拉塞利諾告訴我說，進行這些實驗，推動了這兩個領域的攜手共進。她說：“我想說，這項技術正在推動搜尋，但搜尋本身給了我們進一步探索量子領域技術的動力。”量子計算和軸子搜尋技術共享了一個相關但最終不同的目標，這推動了整個領域的發展；迪克西特說，大多數致力於製造量子計算機的公司並沒有像QISMET團隊必須的一樣考慮量子位錯誤——他們需要一些最低的錯誤率。

鮑林說，在進行這樣的基礎科學實驗方面，最大的挑戰之一是勞動力的發展。IBM、Google、Intel、Microsoft和其他大公司都在一個潛在人才相對較少的領域追求量子技術。鮑林可以為即將畢業的求職者提供博士後研究員的薪水，而科技公司可以提供幾倍的薪水。他說：“我們只能以人手所能及的速度前進。”

​但是，一旦QISMET啟動並執行，很可能在谷歌和IBM的量子計算機等公司擁有有用的計算應用之前，它將展示量子技術比現有感測解決方案的真正優勢。這項工作證明了基礎研究在突破技術界限，以解決只有物理學家才能解決的問題方面的重要性，比如如何找到可能不存在的亞原子粒子。這項實驗的科學家們並沒有試圖開發出一種有朝一日可能產生利潤的產品，而是受到強大而神祕的好奇心的驅使。