Gần một thế kỷ sau khi vật chất tối lần đầu tiên được đề xuất để giải thích chuyển động của các cụm thiên hà, các nhà vật lý vẫn chưa biết nó được làm bằng gì.
Các cụm thiên hà lớn chứa cả vật chất tối và vật chất bình thường. Lực hấp dẫn khổng lồ của tất cả vật chất này làm cong không gian xung quanh cụm, khiến ánh sáng từ các vật thể nằm phía sau cụm bị bóp méo và phóng đại. Hiện tượng này được gọi là thấu kính hấp dẫn.
Các nhà nghiên cứu trên khắp thế giới đã chế tạo hàng chục máy dò với hy vọng khám phá ra vật chất tối. Nhưng bất chấp nhiều thập kỷ nỗ lực thử nghiệm, các nhà khoa học vẫn chưa xác định được hạt vật chất tối.
Giờ đây, việc tìm kiếm vật chất tối đã nhận được một sự hỗ trợ khó có thể xảy ra từ công nghệ được sử dụng trong nghiên cứu máy tính lượng tử. Bằng cách sử dụng một chút thủ thuật lượng tử để tăng gấp đôi tốc độ mà máy dò, từ đó có thể tìm kiếm vật chất tối. Kết quả là bổ sung thêm một sự gia tăng tốc độ rất cần thiết cho việc săn tìm hạt bí ẩn này.
Một lý thuyết nổi bật đề xuất rằng vật chất tối được tạo thành từ các hạt giả định được gọi là axion, hoạt động chung giống như một làn sóng vô hình dao động ở một tần số rất cụ thể trong vũ trụ. Máy dò Axion hoặc HAYSTAC – hoạt động giống như máy thu vô tuyến, nhưng thay vì chuyển đổi sóng vô tuyến thành sóng âm thanh, chúng nhằm chuyển đổi sóng axion thành sóng điện từ. Cụ thể, máy dò axion đo hai đại lượng gọi là nhiệt độ trường điện từ . Các nhiệt độ này là hai loại dao động riêng biệt trong sóng điện từ sẽ được tạo ra nếu các trục tồn tại.
Thách thức chính trong việc tìm kiếm trục là không ai biết tần số của sóng trục giả định. Hãy tưởng tượng bạn đang ở một thành phố xa lạ đang tìm kiếm một đài phát thanh cụ thể bằng cách thực hiện theo cách của bạn thông qua băng tần FM từng tần số một. Các thợ săn Axion cũng làm điều tương tự: Chúng điều chỉnh máy dò của mình trên một loạt các tần số theo từng bước riêng biệt. Mỗi bước chỉ có thể bao gồm một phạm vi rất nhỏ của tần số trục có thể có. Phạm vi nhỏ này là băng thông của máy dò.
Việc dò đài thường bao gồm việc tạm dừng vài giây ở mỗi bước để xem bạn đã tìm thấy đài mình đang tìm chưa. Điều đó khó hơn nếu tín hiệu yếu và có nhiều tĩnh. Tín hiệu trục – ngay cả trong các máy dò nhạy nhất – sẽ rất mờ nhạt so với tín hiệu tĩnh từ các dao động điện từ ngẫu nhiên, mà các nhà vật lý gọi là nhiễu. Càng có nhiều tiếng ồn, máy dò phải ngồi lâu ở mỗi bước điều chỉnh để lắng nghe tín hiệu trục.
Thật không may, các nhà nghiên cứu không thể tin tưởng vào việc thu phát sóng trục sau vài chục lượt quay của đài phát thanh. Một đài FM chỉ có giai điệu từ 88 đến 108 megahertz (1 megahertz là 1 triệu hertz). Ngược lại, tần số axion có thể nằm trong khoảng từ 300 hertz đến 300 tỷ hertz. Với tốc độ phát triển của các máy dò ngày nay, việc tìm thấy trục hoặc chứng minh rằng nó không tồn tại có thể mất hơn 10.000 năm .
Nguyên lý bất định nói rằng không thể biết đồng thời các giá trị chính xác của các đại lượng vật lý nhất định – ví dụ, bạn không thể biết cả vị trí và động lượng của một hạt cùng một lúc. Nhớ lại rằng máy dò trục tìm kiếm trục bằng cách đo hai phần tư – những loại dao động trường điện từ cụ thể. Nguyên tắc bất định cấm kiến thức chính xác về cả hai nhiệt độ bằng cách thêm một lượng nhiễu tối thiểu vào các dao động vuông góc.
Trong các máy dò axion thông thường, nhiễu lượng tử từ nguyên lý bất định che khuất cả hai nhiệt độ như nhau. Tiếng ồn này không thể được loại bỏ, nhưng với các công cụ phù hợp, nó có thể được kiểm soát. Nhờ đó mã đã tìm ra cách để xáo trộn nhiễu lượng tử trong máy dò vật chất tối, giảm ảnh hưởng của nó trên một phương vuông góc trong khi tăng ảnh hưởng của nó lên phương kia. Kỹ thuật thao tác nhiễu này được gọi là ép lượng tử.
Ngoài ra, sử dụng công nghệ mạch siêu dẫn mượn từ nghiên cứu điện toán lượng tử giúp thực hiện thử thách ép trong máy dò. Máy tính lượng tử có mục đích chung vẫn còn một chặng đường dài, tương lai, công nghệ ép này có thể ngay lập tức tăng tốc độ tìm kiếm vật chất tối.
Ép lượng tử không làm giảm tiếng ồn một cách đồng nhất trên băng thông của máy dò trục. Thay vào đó, nó có hiệu ứng lớn nhất ở các cạnh. Hãy tưởng tượng bạn điều chỉnh đài của mình đến 88,3 megahertz, nhưng đài bạn muốn thực sự là 88,1. Với tính năng ép lượng tử, bạn sẽ có thể nghe thấy bài hát yêu thích của mình đang phát cách một trạm.
Trong thế giới phát thanh, đây sẽ là công thức cho thảm họa, vì các đài khác nhau sẽ gây nhiễu cho nhau. Nhưng chỉ với một tín hiệu vật chất tối để tìm kiếm, băng thông rộng hơn cho phép các nhà vật lý tìm kiếm nhanh hơn bằng cách phủ sóng nhiều tần số hơn cùng một lúc. Trong kết quả mới nhất, việc sử dụng tính năng ép để tăng gấp đôi băng thông của HAYSTA cho phép tìm kiếm các trục nhanh hơn gấp đôi so với trước đây.
Chỉ ép lượng tử thôi là không đủ để quét qua mọi tần số trục có thể có trong một thời gian hợp lý. Nhưng tăng gấp đôi tốc độ quét là một bước đi đúng hướng và những cải tiến hơn nữa đối với hệ thống ép lượng tử cho phép việc tìm kiếm nhanh hơn gấp 10 lần.
Không ai biết liệu loại băng thông này có tồn tại hay liệu chúng có giải quyết được bí ẩn của vật chất tối hay không; nhưng nhờ vào ứng dụng bất ngờ này của công nghệ lượng tử, chúng ta đã tiến thêm một bước nữa để trả lời những câu hỏi này.
Các cụm thiên hà lớn chứa cả vật chất tối và vật chất bình thường. Lực hấp dẫn khổng lồ của tất cả vật chất này làm cong không gian xung quanh cụm, khiến ánh sáng từ các vật thể nằm phía sau cụm bị bóp méo và phóng đại. Hiện tượng này được gọi là thấu kính hấp dẫn.
Các nhà nghiên cứu trên khắp thế giới đã chế tạo hàng chục máy dò với hy vọng khám phá ra vật chất tối. Nhưng bất chấp nhiều thập kỷ nỗ lực thử nghiệm, các nhà khoa học vẫn chưa xác định được hạt vật chất tối.
Giờ đây, việc tìm kiếm vật chất tối đã nhận được một sự hỗ trợ khó có thể xảy ra từ công nghệ được sử dụng trong nghiên cứu máy tính lượng tử. Bằng cách sử dụng một chút thủ thuật lượng tử để tăng gấp đôi tốc độ mà máy dò, từ đó có thể tìm kiếm vật chất tối. Kết quả là bổ sung thêm một sự gia tăng tốc độ rất cần thiết cho việc săn tìm hạt bí ẩn này.
Quét tìm tín hiệu vật chất tối
Có bằng chứng thuyết phục từ vật lý thiên văn và vũ trụ học cho thấy một chất chưa được biết đến được gọi là vật chất tối chiếm hơn 80% vật chất trong vũ trụ. Các nhà vật lý lý thuyết đã đề xuất hàng chục hạt cơ bản mới có thể giải thích vật chất tối. Nhưng để xác định lý thuyết nào – nếu có – trong số những lý thuyết này là đúng, các nhà nghiên cứu cần phải xây dựng các máy dò khác nhau để kiểm tra từng lý thuyết.Một lý thuyết nổi bật đề xuất rằng vật chất tối được tạo thành từ các hạt giả định được gọi là axion, hoạt động chung giống như một làn sóng vô hình dao động ở một tần số rất cụ thể trong vũ trụ. Máy dò Axion hoặc HAYSTAC – hoạt động giống như máy thu vô tuyến, nhưng thay vì chuyển đổi sóng vô tuyến thành sóng âm thanh, chúng nhằm chuyển đổi sóng axion thành sóng điện từ. Cụ thể, máy dò axion đo hai đại lượng gọi là nhiệt độ trường điện từ . Các nhiệt độ này là hai loại dao động riêng biệt trong sóng điện từ sẽ được tạo ra nếu các trục tồn tại.
Thách thức chính trong việc tìm kiếm trục là không ai biết tần số của sóng trục giả định. Hãy tưởng tượng bạn đang ở một thành phố xa lạ đang tìm kiếm một đài phát thanh cụ thể bằng cách thực hiện theo cách của bạn thông qua băng tần FM từng tần số một. Các thợ săn Axion cũng làm điều tương tự: Chúng điều chỉnh máy dò của mình trên một loạt các tần số theo từng bước riêng biệt. Mỗi bước chỉ có thể bao gồm một phạm vi rất nhỏ của tần số trục có thể có. Phạm vi nhỏ này là băng thông của máy dò.
Việc dò đài thường bao gồm việc tạm dừng vài giây ở mỗi bước để xem bạn đã tìm thấy đài mình đang tìm chưa. Điều đó khó hơn nếu tín hiệu yếu và có nhiều tĩnh. Tín hiệu trục – ngay cả trong các máy dò nhạy nhất – sẽ rất mờ nhạt so với tín hiệu tĩnh từ các dao động điện từ ngẫu nhiên, mà các nhà vật lý gọi là nhiễu. Càng có nhiều tiếng ồn, máy dò phải ngồi lâu ở mỗi bước điều chỉnh để lắng nghe tín hiệu trục.
Thật không may, các nhà nghiên cứu không thể tin tưởng vào việc thu phát sóng trục sau vài chục lượt quay của đài phát thanh. Một đài FM chỉ có giai điệu từ 88 đến 108 megahertz (1 megahertz là 1 triệu hertz). Ngược lại, tần số axion có thể nằm trong khoảng từ 300 hertz đến 300 tỷ hertz. Với tốc độ phát triển của các máy dò ngày nay, việc tìm thấy trục hoặc chứng minh rằng nó không tồn tại có thể mất hơn 10.000 năm .
Loại bỏ tiếng ồn lượng tử
Quá trình dò tìm tín hiệu vật chất tối vô cùng khó khăn, đặc biệt là vấn đề loại bỏ tiếng ồn lượng tử gần như không thể khắc phục được. Do đó, bắt buộc phải tăng tốc độ tìm kiếm bằng cách làm mọi thứ có thể để giảm tiếng ồn. Nhưng thực tế cho biết, điều này đã đang vượt qua giới hạn tiếng ồn tối thiểu cơ bản vì một định luật vật lý lượng tử được gọi là nguyên lý bất định .Nguyên lý bất định nói rằng không thể biết đồng thời các giá trị chính xác của các đại lượng vật lý nhất định – ví dụ, bạn không thể biết cả vị trí và động lượng của một hạt cùng một lúc. Nhớ lại rằng máy dò trục tìm kiếm trục bằng cách đo hai phần tư – những loại dao động trường điện từ cụ thể. Nguyên tắc bất định cấm kiến thức chính xác về cả hai nhiệt độ bằng cách thêm một lượng nhiễu tối thiểu vào các dao động vuông góc.
Trong các máy dò axion thông thường, nhiễu lượng tử từ nguyên lý bất định che khuất cả hai nhiệt độ như nhau. Tiếng ồn này không thể được loại bỏ, nhưng với các công cụ phù hợp, nó có thể được kiểm soát. Nhờ đó mã đã tìm ra cách để xáo trộn nhiễu lượng tử trong máy dò vật chất tối, giảm ảnh hưởng của nó trên một phương vuông góc trong khi tăng ảnh hưởng của nó lên phương kia. Kỹ thuật thao tác nhiễu này được gọi là ép lượng tử.
Ngoài ra, sử dụng công nghệ mạch siêu dẫn mượn từ nghiên cứu điện toán lượng tử giúp thực hiện thử thách ép trong máy dò. Máy tính lượng tử có mục đích chung vẫn còn một chặng đường dài, tương lai, công nghệ ép này có thể ngay lập tức tăng tốc độ tìm kiếm vật chất tối.
Băng thông lớn hơn, tìm kiếm nhanh hơn
Mặc dù đã thành công trong việc loại bỏ tiếng ồn trong máy dò vật chất tối, nhưng thế nào để tăng tốc độ tìm kiếm?Ép lượng tử không làm giảm tiếng ồn một cách đồng nhất trên băng thông của máy dò trục. Thay vào đó, nó có hiệu ứng lớn nhất ở các cạnh. Hãy tưởng tượng bạn điều chỉnh đài của mình đến 88,3 megahertz, nhưng đài bạn muốn thực sự là 88,1. Với tính năng ép lượng tử, bạn sẽ có thể nghe thấy bài hát yêu thích của mình đang phát cách một trạm.
Trong thế giới phát thanh, đây sẽ là công thức cho thảm họa, vì các đài khác nhau sẽ gây nhiễu cho nhau. Nhưng chỉ với một tín hiệu vật chất tối để tìm kiếm, băng thông rộng hơn cho phép các nhà vật lý tìm kiếm nhanh hơn bằng cách phủ sóng nhiều tần số hơn cùng một lúc. Trong kết quả mới nhất, việc sử dụng tính năng ép để tăng gấp đôi băng thông của HAYSTA cho phép tìm kiếm các trục nhanh hơn gấp đôi so với trước đây.
Chỉ ép lượng tử thôi là không đủ để quét qua mọi tần số trục có thể có trong một thời gian hợp lý. Nhưng tăng gấp đôi tốc độ quét là một bước đi đúng hướng và những cải tiến hơn nữa đối với hệ thống ép lượng tử cho phép việc tìm kiếm nhanh hơn gấp 10 lần.
Không ai biết liệu loại băng thông này có tồn tại hay liệu chúng có giải quyết được bí ẩn của vật chất tối hay không; nhưng nhờ vào ứng dụng bất ngờ này của công nghệ lượng tử, chúng ta đã tiến thêm một bước nữa để trả lời những câu hỏi này.
Chủ đề tương tự
Ngày đăng:
