设计新的暗物质探测器：机器学习提高量子传感器对暗物质的灵敏度

如何探测暗物质——一种可能占宇宙中所有物质六分之五的不可见、几乎无形的物质？暗物质应该就在我们身边，对正常物质产生微小的影响，但到目前为止，搜索都是空的。但一项新的研究表明， 采用机器学习的策略可以帮助量子传感器最终追捕它。这种超灵敏传感器还可能具有其他应用，例如无 GPS 导航、探测地下掩体以及发现 大爆炸后时刻的时空引力纹波。

我们知道暗物质的存在是因为它对星系运动的引力影响。但我们不知道它是由什么组成的，也不知道它如何与构成你或我的日常颗粒相互作用。尽管科学家们已经为暗物质的潜在组成和精确特性设想了数十种模型，但这些建议中的大多数都预测了对正常粒子的极小影响。检测这些微小相互作用的一种可能性是量子传感器。量子效应容易受到外部干扰，量子传感器利用这种脆弱性来响应环境中最轻微的干扰，例如暗物质和正常物质之间的相互作用。

这项新研究的重点是原子干涉仪，这是一种量子传感器，它依赖于一种称为叠加的效应，其中一个原子基本上可以同时存在于两个或多个地方。传感器具有这些薛定谔猫状状态，其中原子沿着不同的路径飞行，然后重新组合。由于粒子波二象性（粒子可以像波一样作用的量子现象，反之亦然），这些原子相互干涉，它们的波峰和波谷相互抑制或增强。检查这种干扰可以揭示在不同旅程中经历的略有不同的运动的程度。

科学家们用来提高这些干涉仪灵敏度的一种方法依赖于这些传感器采用的激光脉冲来分裂原子波并将它们相互反射回来。这些激光脉冲取代了光学干涉测量中的传统反射镜。伊利诺伊州埃文斯顿西北大学（Northwestern University）物理学和天文学助理教授蒂莫西·科瓦奇（Timothy Kovachy）说，每次原子波从这些短暂的镜子中反弹时，“我们正在寻找的信号就会被放大，就像光信号在镜面腔中反弹时被放大一样。

然而，原子波可以经历这种反射的次数取决于原子镜的质量，“制作一个好的原子镜相当困难，”Kovachy 说。

现在，在这项新研究中，Kovachy 和他的同事揭示了一种增加原子镜可能反射数量的策略。使用机器学习，新方法不是从最多 10 个大约 10 个激光脉冲的序列中反射原子波，而是支持大约 500 个脉冲的序列。

更灵敏的原子干涉仪

新策略“并不坚持制造完美的原子镜，”科瓦奇说。“相反，它正在寻找一种方法来改善许多不同原子镜的集体净努力，补偿每个单独原子镜的缺陷。”结果是原子干涉仪在实验室测试中的性能提高了 50 倍。

“当我们开始这项工作时，我真的没有想过会得到这种程度的改进，”Kovachy 说。“当有惊喜时，总是很高兴。”

Kovachy 说，研究人员现在希望通过“使用原子干涉仪对暗物质的第一次重大搜索活动”来实施他们的新技术，该活动目前正在建设中。“我们预计第一批搜索将在三到五年左右的时间里上线。我们希望与更好的原子光学相结合，将它们的灵敏度提高到原子干涉仪现在的能力可能高出几个数量级。

Kovachy 说，更精确的原子干涉仪可能还有其他应用，例如无 GPS 导航。帮助启用全球导航卫星系统的卫星链路在水下或地下都不起作用，即使它们工作，也容易受到干扰、欺骗和天气的影响。量子运动传感器可以帮助作为惯性导航系统的基础，该系统不依赖任何外部信号。

Kovachy 补充说，原子干涉仪还可以帮助测量地球引力场的强度，该强度在地球表面可能会有所不同，具体取决于其下方集中的质量。这种重力传感器的潜在应用包括查看隐藏的地下结构、检测地下自然资源、发现地下考古遗址以及监测火山活动和地下水流。

“我真的没想过会有这种程度的改善。”—Timothy Kovachy，美国西北大学

正在开发中的 100 米高甚至大型原子干涉仪（相比之下，标准原子干涉仪只有 1 或 2 米高）有朝一日甚至可能有助于探测时空涟漪，称为引力波。科学家们于 2015 年使用激光干涉仪引力波天文台 （LIGO） 发现了这些波的第一个直接证据，这可能是由两个黑洞碰撞引起的。Kovachy 说，原子干涉仪理论上可以检测到来自明显不同事件的引力波，例如被称为膨胀的神秘时代，当时宇宙在大爆炸后不久经历了巨大的增长突增。

未来的研究应该使用不同类型的原子干涉仪来研究这项新技术。在这项新研究中，科学家们试验了一种基于锶原子的装置，但“铷原子绝对是原子干涉测量的主力军，”科瓦奇说。