量子“捕手”为寻找宇宙“隐形邻居”提供新工具
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2026-01-30 04:47:54
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  新华社合肥1月29日电 (记者 戴威 何曦悦)记者从中国科学技术大学获悉,1月29日,中科大自旋磁共振实验室彭新华教授和江敏教授团队在《自然》杂志发表最新研究成果:他们革新核自旋量子精密测量技术,成功搭建国际首个基于原子核自旋的量子传感网络,连接合肥与杭州,让暗物质探测灵敏度实现质的飞跃,为搜寻宇宙“隐形邻居”提供突破性工具。

  在浩瀚宇宙中,我们肉眼可见的恒星、行星等普通物质,仅占宇宙总质量的4.9%。而占比高达26.8%的暗物质,就像一位“隐形邻居”——它不发光、不与普通物质发生电磁相互作用,却能通过引力影响星系运动,是宇宙构成的关键部分。

  轴子,作为暗物质的热门候选者,其形成的场可能存在“宇宙褶皱”般的拓扑缺陷,被科学家形象地称为“暗物质墙”。当地球穿越这堵“无形之墙”时,轴子可能与量子传感器中的原子核发生极微弱的相互作用,产生转瞬即逝的信号。要捕捉这个信号,难度堪比在人声喧哗的广场上,精准分辨出一片特定雪花落地的声音。

  为攻克探测难题,研究团队给量子传感器装上两件“硬核装备”:一是将转瞬即逝的信号“储存”在接近分钟级的核自旋相干态中,大幅延长了信号探测窗口;二是通过自研量子放大技术,将微弱信号增强一百倍,让“蛛丝马迹”不再难寻。

  更进一步,研究团队将五台超灵敏量子传感器分别部署在合肥与杭州,通过卫星时间精确同步,构建成分布式探测网络。其核心逻辑是“多地比对、协同验证”:真实的宇宙信号会在各站点留下时间关联痕迹,而局部干扰噪声则杂乱无章、无法同步。这种组网模式能极大过滤误报,极大强化探测结果的可靠性。

  经过两个月的持续观测,研究团队虽未捕捉到明确的“暗物质墙”穿越信号,却取得了关键进展:在广泛的轴子质量范围内,给出了这一暗物质模型最严格的限制标准。其中部分质量区间的限制精度,比天文学家用超新星观测的结果高出40倍,首次实现实验室探测精度超越天文观测。

  研究人员表示,这一突破意味着,人类搜寻暗物质的“工具库”中,又新增了一款更精准的“量子神器”。本次研究不仅为暗物质探测开辟了新路径,其网络化、分布式探测思路,未来还可与引力波天文台协同,用于搜寻更多宇宙奥秘。

  彭新华说,下一步他们将进一步扩大“量子探测网”的覆盖范围,通过全球组网、空间部署等方式,进一步提升暗物质探测灵敏度,继续向解开暗物质之谜发起冲击。

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