À la recherche de matière noire avec des ordinateurs quantiques, un éclair de lumière à la fois

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Pendant des décennies, les scientifiques ont eu du mal à définir les éléments qui composent un quart de l'univers: la matière noire. Alors que les expériences continuent de tourner les mains vides, une équipe espère trouver de la matière noire en incorporant les lois qui régissent les particules subatomiques – la mécanique quantique – avec une technologie naissante appelée ordinateur quantique. C’est ce qui a amené le scientifique du Fermilab Daniel Bowring, qui a une formation en physique des accélérateurs, au laboratoire d’informatique quantique du collaborateur David Schuster de l’Université de Chicago. "La première fois que j'y suis allé, j'avais l'impression que Charlie entrait dans l'usine de Willie Wonka", a-t-il déclaré.

Aujourd'hui, le laboratoire d'expérimentation se trouve au Fermilab, juste à l'extérieur de Batavia, dans l'Illinois, dans une pièce à haut plafond avec des murs tout blancs et une tour sombre d'équipement de physique au pied d'un escalier dans un entrepôt, séparé par des séparateurs en verre. Lorsque j'ai visité le Fermilab en janvier, des composants typiques de l'informatique quantique étaient assis dans le mur du fond: une tour d'électronique avec des lumières clignotantes et une table avec un écran d'ordinateur à côté d'un cylindre d'argent de la taille d'une personne suspendu à une grille en acier, appelé un réfrigérateur à dilution, qui maintient les composants supraconducteurs fonctionnant juste au-dessus du zéro absolu. La salle a fait écho avec un grincement rythmique alors que le réfrigérateur pompait son hélium liquide, tandis que Bowring, l'associé de recherche du Fermilab Rakshya Khatiwada, et les étudiants diplômés de l'Université de Chicago Akash Dixit et Ankur Agrawal m'ont montré comment cela fonctionnait. Il s’appelle QISMET, abréviation de Quantum Information Science Metrology, bien que Bowring déteste les acronymes.

L'expérience QISMET
Photo: Ryan Mandelbaum (Gizmodo)

Les ordinateurs quantiques d’aujourd’hui sont limités dans leurs capacités, excellant seulement dans quelques algorithmes artificiels utiles principalement comme générateurs de nombres aléatoires, bien que les fabricants d’ordinateurs quantiques espèrent que ces appareils résoudront un jour des problèmes que les ordinateurs ordinaires ne peuvent pas. Mais les limites des capteurs ont poussé une équipe de recherche de matière noire à construire un détecteur de matière noire à partir des mêmes tripes qu'un ordinateur quantique. Leur appareil en construction au Fermilab solidifie la détection extrême comme l'une des meilleures applications réelles de la technologie quantique actuelle.

Bowring se rend compte que l'expérience combine deux mots à la mode surexagérés et il s'inquiète de la façon dont le battage médiatique dans le domaine pourrait affecter le financement de la science quantique plus généralement. «Quand je dis aux gens que j'utilise des qubits pour rechercher de la matière noire», a-t-il dit, «je me sens un peu idiot et j'essaie généralement d'expliquer que nous en sommes arrivés honnêtement, et nous pensons sincèrement que cette technologie est la plus convaincante. pour nous permettre de rechercher des axions de masse plus élevée. »

«Quand je dis aux gens que j'utilise des qubits pour rechercher de la matière noire, je me sens un peu idiot et je m'efforce généralement d'expliquer que nous en sommes arrivés honnêtement, et nous pensons vraiment que cette technologie est la technologie la plus convaincante pour nous permettre de cherchez des axions de masse plus élevée.

Des expériences typiques sur la matière noire vivent dans des endroits extrêmes comme Station spatiale internationale et sous les montagnes, où ils recherchent un signe de nouvelles particules avec des tonnes de xénon liquide, cristaux de saphir, et collision de particules. Le candidat le plus populaire pour expliquer toute la gravité supplémentaire est peut-être une nouvelle classe de particules fondamentales qui interagissent à peine avec la matière régulière, appelées à juste titre les particules massives à faible interaction, ou WIMP. Tandis que recherche les WIMP continuer à ne trouve rien, d'autres scientifiques ont recherché un autre candidat populaire appelé l'axion, une particule fondamentale théorique nommée d'après Lessive.

Les axions sont populaires parce que, comme les WIMP, ils résoudraient à la fois le mystère de la matière noire dans l'espace ainsi qu'un mystère entourant le comportement des particules subatomiques. Dans le cas de l'axion, ce problème est appelé le problème de forte CP. La force qui maintient les noyaux atomiques ensemble s'appelle la force forte, et, d'après ce que nous savons des autres forces, il n'y a aucune raison pour que les lois de la physique soient les mêmes si vous échangez une particule avec une particule identique mais avec la charge opposée (C) et parité (P). Pourtant, d'une manière ou d'une autre, les particules subissant la force forte maintiennent cette symétrie. Les physiciens des années 1960, Roberto Peccei et Helen Quinn, ont conçu une théorie pour aider à expliquer l'apparente conservation de ces propriétés. Plus tard, les physiciens Frank Wilczek et Steven Weinberg ont réalisé que la théorie faisait place à une nouvelle particule extrêmement légère appelée l'axion. Mais si des axions existaient, ils auraient Propriétés prêt à expliquer la matière noire «froide», le type de matière noire qui, selon les cosmologistes, remplit l'univers: des particules abondantes et à mouvement lent qui ne subissent la force gravitationnelle que sur de longues distances. Les physiciens ont donc commencé à en rechercher des signes.

Appareil de mesure des qubits au Fermilab dans l'Illinois.
Photo: Ryan Mandelbaum (Gizmodo)

Bowring vient de l'expérience Axion Dark Matter, ou ADMX, parmi les expériences de chasse à l'axion les plus célèbres. L'ADMX est une antenne placée dans un champ magnétique dans une cavité souterraine, avec une tige de réglage rotative qui ajuste la fréquence des photons micro-ondes – particules de rayonnement électromagnétique – auxquels il est sensible. Les physiciens théorisent que les axions se transforment en photons en présence d'un fort champ magnétique, et l'expérience ADMX implique de tourner lentement la tige de réglage pour balayer certaines fréquences de photons, comme régler un cadran radio. Sauf que le signal est si faible que c'est comme essayer de prendre un appel téléphonique sur Mars en utilisant une tour cellulaire sur Terre, a déclaré Bowring.

Si les photons originaires d'axions ont des fréquences supérieures à quelques GHz, alors les photons émis par n'importe quel objet dans l'expérience avec une température peuvent noyer le signal, même à l'aide de composants comme des amplificateurs. Les amplificateurs ont leurs propres limites; ceux utilisés dans ADMX nécessitent la connaissance de la phase et de l'amplitude du photon en même temps. Mais une théorie fondamentale de la mécanique quantique, le principe d'incertitude, dit que certaines combinaisons de propriétés ne peuvent pas être mesurées simultanément avec précision, des combinaisons comprenant l'amplitude et la phase. Les chercheurs veulent juste savoir si les axions sont là ou non, ils avaient donc besoin d'un système qui pourrait maximiser la sensibilité de l'expérience à l'amplitude d'un photon, quelles que soient ses autres propriétés.

Les membres de l'équipe ADMX ont réalisé qu'ils pouvaient utiliser l'expertise informatique quantique pour résoudre leur problème quantique. "Il ne suffit pas de se soucier des photons micro-ondes", a expliqué Bowring. «Nous avions besoin de personnes qui se soucient d'un photon micro-ondes à la fois.» Cela les a amenés à la communauté de l'informatique quantique.

Un qubit au Fermilab dans l'Illinois.
Photo: Ryan Mandelbaum (Gizmodo)

En 2007, le physicien David Schuster, alors à Yale, a demandé à son conseiller si les qubits pouvaient servir de détecteurs utiles pour l'astronomie – après tout, le composant central de l'ordinateur quantique, le qubit, est essentiellement juste un détecteur de lumière super-sensible. Mais son conseiller a répondu que l'appareil ne fonctionnerait pas pour l'astronomie, car il ne détecterait pas les photons à moins qu'ils n'apparaissent comme par magie à l'intérieur de la cavité abritant le qubit. "Il était sensible, mais seulement bon pour détecter des choses dans la cavité", a déclaré Schuter.

Près d'une décennie plus tard, Schuster, maintenant professeur à l'Université de Chicago, visitait le Fermilab pour discuter des cavités radiofréquences supraconductrices avec une autre équipe et a rencontré le Fermilab et le physicien ADMX Aaron Chou. Chou avait entendu parler des qubits de Schuster et savait que Schuster souhaitait utiliser les qubits pour la détection. La théorie dit que lorsque les axions interagissent à l'intérieur d'un champ magnétique très puissant, ils se transforment en photons, les faisant apparaître comme par magie à l'intérieur d'une boîte. Ils avaient trouvé une application pour laquelle l'informatique quantique pourrait conduire à une expérience astronomique utile.

Les ordinateurs quantiques au sens technique ne sont des ordinateurs que lorsque vous les utilisez pour effectuer des calculs; sinon, leurs qubits ne sont que des systèmes d'atomes artificiels. L'architecture qubit la plus populaire consiste en des boucles de fil supraconducteur à travers lesquelles le courant circule sans résistance, rompu par un petit morceau d'isolant dans une région appelée jonction Josephson. Chacune de ces boucles obéit aux mêmes règles de mécanique quantique qu'un électron dans son orbite autour d'un atome: en présence d'un photon de la bonne fréquence, elles entrent dans un état excité, représenté dans la boucle comme une infime quantité de courant traversant le fil. Mais contrairement à l'électron d'un atome, les qubits s'allument en réponse à une gamme de fréquences de photons plutôt qu'à des fréquences individuelles comme un atome, a expliqué Bowring.

QISMET n'est pas tout à fait un ordinateur quantique en ce qu'il ne fait aucun calcul, mais il est basé sur la même technologie. Chacun des qubits supraconducteurs QISMET est une bande de verre qui peut reposer sur le bout de votre doigt avec une paire d'antennes gravées, des lignes noires dans le verre visibles à l'œil nu si vous plissez les yeux. La boucle supraconductrice est microscopique, invisible entre les lignes noires.

Cavité radiofréquence supraconductrice raccordée à un réfrigérateur de dilution au Fermilab dans l'Illinois – une partie de l'expérience Dark SRF dirigée par le physicien Alex Romanenko.

Dixit, l'un des étudiants diplômés de l'Université de Chicago, m'a guidé à travers le processus de détection des axions: d'abord, placez une cavité radiofréquence, une boîte vide dont les parois agissent comme des miroirs pour piéger les photons à l'intérieur, à l'intérieur d'un aimant puissant, de sorte que les axions se transforment en photons. Si un photon apparaît, déplacez-le dans une autre cavité radiofréquence contenant un qubit (la technologie supraconductrice peut lutter dans un champ magnétique puissant). Utilisez des impulsions radio pour mesurer le qubit encore et encore, pour voir s'il est dans un état excité plus souvent que le hasard seul le permettrait, et uniquement lorsque l'aimant est allumé. Si oui, alors (sauf toute autre interprétation) QISMET a détecté des axions.

La petite équipe est passée d'un laboratoire vide à un système de preuve de concept en moins d'un an, m'a dit Khatiwada. Elle avait rejoint QISMET en tant qu'expert en électronique cryogénique de l'ADMX et a été attirée par l'expérience du capteur de photons basé sur qubit. "Je veux faire une expérience qui est de préférence l'expérience la plus sensible à la recherche d'axions", a-t-elle déclaré. "C'était juste ce besoin de rendre la recherche meilleure et plus sensible vraiment. "

QISMET souffre du même problème que les autres ordinateurs quantiques, a expliqué Dixit. "Nous savons que les qubits peuvent compter les photons, mais ils font aussi beaucoup d'erreurs", a-t-il déclaré. «Nous voulons savoir comment prendre en compte toutes ces erreurs.» Cela signifie s’assurer que la cavité est aussi vide que possible et stocke le photon de l’axion aussi longtemps que possible et que les chercheurs comprennent le potentiel du qubit de basculer accidentellement vers l’état excité sans provocation. Chou a déclaré dans un e-mail qu'il pourrait s'écouler encore un an avant que l'équipe ait fini de régler les problèmes de l'expérience.

D'autres scientifiques ont commencé à intégrer l'intuition quantique dans leurs propres recherches de matière noire, comme l'expérience HAYSTAC de recherche d'axions ou l'expérience Dark SRF du scientifique du Fermilab Alex Romanenko, qui tente de produire un candidat de matière noire dans une cavité radiofréquence supraconductrice et de le détecter dans un autre.

Pièces d'expérience à la retraite sur le vaste campus du Fermilab.
Photo: Ryan Mandelbaum (Gizmodo)

La poursuite de ces expériences a fait avancer ces deux domaines de pair, a déclaré à Gizmodo Anna Grasselino, directeur adjoint de la technologie du Fermilab. «Je dirais que la technologie fait avancer la recherche, mais la recherche elle-même nous motive à explorer davantage la technologie dans le régime quantique», a-t-elle déclaré. Les technologies quantiques pour l'informatique et la chasse aux axions partagent un objectif connexe mais finalement différent, qui fait avancer le champ dans son ensemble; Dixit a déclaré que la plupart des entreprises travaillant à la construction d’ordinateurs quantiques ne pensent pas aux erreurs de qubit au même niveau que l’équipe QISMET – elles ont besoin des taux d’erreur les plus bas.

Selon Bowring, l'un des plus grands défis à relever pour mener une expérience scientifique fondamentale comme celle-ci est le développement de la main-d'œuvre. IBM, Google, Intel, Microsoft et d'autres grandes entreprises poursuivent toutes la technologie quantique dans un espace avec un bassin de talents potentiels relativement restreint. Bowring peut offrir à un candidat sur le point de terminer ses études supérieures un salaire de chercheur post-doctoral, tandis qu'une entreprise de technologie peut offrir plusieurs fois cela. "Nous ne pouvons aller aussi vite que nous avons le pouvoir du personnel", a-t-il déclaré.

Mais une fois que QISMET sera opérationnel, il démontrera un réel avantage de la technologie quantique sur les solutions de détection existantes, probablement avant que des sociétés comme Google et les ordinateurs quantiques d'IBM aient des applications informatiques utiles. Le travail démontre l'importance de la recherche fondamentale pour repousser les limites de la technologie pour résoudre les problèmes que seuls les physiciens ont, comme comment trouver une particule subatomique qui pourrait ne pas exister. Les scientifiques de l'expérience ne cherchent pas à développer un produit qui pourrait un jour générer un profit; ils sont animés par la puissante et mystérieuse force de la curiosité.

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