Cela fait près d'un siècle que la matière noire a été proposée pour la première fois pour expliquer le mouvement des amas de galaxies, mais les physiciens ne savent toujours pas de quoi elle est faite.
Des chercheurs du monde entier ont construit des dizaines de détecteurs dans l'espoir de détecter la matière noire, dont HAYSTAC. Mais malgré des décennies d'efforts expérimentaux, les scientifiques n'ont pas encore identifié la proportion de matière noire.
Jusqu'à présent, la recherche de matière noire a reçu un coup de pouce improbable grâce aux technologies utilisées dans la recherche en informatique quantique. Dans un nouvel article publié dans la revue Nature, l'équipe HAYSTAC décrit comment ils ont utilisé une petite astuce quantique pour doubler la vitesse à laquelle le détecteur peut rechercher de la matière noire. Le résultat ajoute une accélération de vitesse bien nécessaire à la chasse à cette mystérieuse particule.
Il existe des preuves irréfutables de l'astrophysique et de la cosmologie qu'une substance inconnue appelée matière noire représente plus de 80% de la matière dans l'univers. Les physiciens théoriciens ont proposé des dizaines de nouvelles particules fondamentales qui pourraient expliquer la matière noire. Mais pour déterminer laquelle de ces théories est vraie, les chercheurs doivent créer différents détecteurs pour tester chacun.
Une théorie importante suggère que la matière noire est composée de particules encore hypothétiques appelées axions, qui se comportent collectivement comme une onde invisible oscillant dans l'espace à une fréquence très spécifique. Les détecteurs axioniques, y compris HAYSTAC, fonctionnent comme des récepteurs radio, mais au lieu de convertir les ondes radio en son, ils cherchent à convertir les ondes axioniques en ondes électromagnétiques. En particulier, les détecteurs d'axions mesurent deux grandeurs appelées la quadrature du champ électromagnétique. Ces quadratures sont deux types différents d'oscillations dans une onde électromagnétique qui se produiraient en présence d'axions.
Le problème principal dans la recherche des axions est que personne ne connaît la fréquence de l'onde hypothétique des axions. Les scientifiques règlent leurs détecteurs sur une large gamme de fréquences par étapes discrètes. Chaque étape ne peut couvrir qu'une très petite plage de fréquences d'axions possibles. Cette petite plage est la bande passante du détecteur.
Le signal d'axion - même dans les détecteurs les plus sensibles - serait extrêmement faible par rapport au statique des fluctuations électromagnétiques aléatoires, que les physiciens appellent le bruit. Plus il y a de bruit, plus le détecteur doit être long à chaque étape de configuration pour écouter le signal d'axion.
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Le détecteur n'est réglable que de 88 à 108 mégahertz (un mégahertz équivaut à un million de hertz). La fréquence des axions, au contraire, peut être de 300 à 300 milliards de hertz. À la vitesse à laquelle les détecteurs fonctionnent aujourd'hui, il faudrait plus de 10 000 ans pour trouver des axions ou pour prouver qu'ils n'existent pas.
Des circuits supraconducteurs spéciaux utilisés en informatique quantique peuvent aider les détecteurs à filtrer le bruit qui peut obscurcir le signal de l'axion.
En 2012, l'équipe HAYSTAC décide d'accélérer la recherche des axions en mettant tout en œuvre pour réduire le bruit. Mais en 2017, ils se sont heurtés à une limite de bruit minimale fondamentale en raison d'une loi de la physique quantique connue sous le nom de principe d'incertitude.
Le principe d'incertitude stipule qu'il est impossible de connaître les valeurs exactes de certaines grandeurs physiques en même temps - par exemple, vous ne pouvez pas connaître la position et la quantité de mouvement d'une particule en même temps. Rappelez-vous que les détecteurs d'axions recherchent un axion en mesurant deux quadratures - ces types particuliers d'oscillations de champ électromagnétique. Le principe d'incertitude interdit la connaissance exacte des deux quadratures, ajoutant une quantité minimale de bruit aux oscillations en quadrature.
Dans les détecteurs conventionnels, le bruit quantique masque les deux quadrature de manière égale en raison du principe d'incertitude. Ce bruit ne peut pas être éliminé, mais avec les bons outils, il peut être contrôlé. L'équipe a développé un moyen de contourner le bruit quantique dans le détecteur HAYSTAC, en réduisant son effet sur une quadrature et en augmentant son effet sur une autre. Cette méthode de traitement du bruit est appelée compression quantique.
L'équipe HAYSTAC s'est chargée de mettre en œuvre la compression dans le détecteur, en utilisant une technologie de circuit supraconducteur empruntée à la recherche en informatique quantique. Dans leur dernier résultat, les scientifiques ont utilisé la compression pour doubler le débit de HAYSTAC, leur permettant de rechercher des axions deux fois plus rapidement. Une seule compression quantique ne suffit pas pour balayer tous les axions de fréquences possibles en un temps raisonnable. Mais doubler la vitesse de numérisation est un grand pas dans la bonne direction.
Personne ne sait si les axions existent ou s'ils résoudront le mystère de la mère noire, mais grâce à cette application inattendue de la technologie quantique, nous sommes sur le point de répondre à ces questions.
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