미국 에너지부 혁신: 양자 컴퓨터로 암흑 물질 탐지

Aug 22, 2023

작성자: Fermi National Accelerator Laboratory2022년 12월 6일

미국 에너지부 페르미연구소(Fermilab) 과학자들은 양자 컴퓨터를 사용해 암흑물질을 탐지하는 방법을 찾아냈다.

암흑물질은 우주의 물질과 에너지 예산의 약 27%를 차지하지만, 과학자들은 이에 대해 많이 알지 못합니다. 그들은 그것이 차갑다는 것을 알고 있습니다. 이는 암흑 물질을 구성하는 입자가 느리게 움직인다는 것을 의미합니다. 암흑물질은 빛과 상호작용하지 않기 때문에 직접적으로 검출하는 것도 어렵다. 그러나 미국 에너지부 산하 페르미 국립 가속기 연구소(Fermilab)의 과학자들은 양자 컴퓨터를 사용하여 암흑 물질을 찾는 방법을 발견했습니다.

Aaron Chou, a senior scientist at Fermilab, works on detecting dark matter through quantum science. As part of DOE's Office of High Energy Physics QuantISED program, he has developed a way to use qubits, the main component of quantum computingPerforming computation using quantum-mechanical phenomena such as superposition and entanglement." data-gt-translate-attributes="[{"attribute":"data-cmtooltip", "format":"html"}]">강력한 자기장이 존재하는 암흑물질에 의해 생성된 단일 광자를 감지하는 양자 컴퓨팅 시스템.

고전적인 컴퓨터는 1 또는 0으로 설정된 이진 비트를 사용하여 정보를 처리합니다. 1과 0의 특정 패턴을 통해 컴퓨터는 특정 기능과 작업을 수행할 수 있습니다. 그러나 양자 컴퓨팅에서는 중첩이라는 양자 역학적 특성으로 인해 큐비트가 읽힐 때까지 1과 0이 동시에 존재합니다. 이 속성을 통해 양자 컴퓨터는 기존 컴퓨터에서 완료하는 데 엄청난 시간이 걸리는 복잡한 계산을 효율적으로 수행할 수 있습니다.

Chou는 "Qubits는 단일 광자와 같은 정보의 단일 여기를 조작하여 작동합니다."라고 말했습니다. "따라서 단일 여기와 같은 작은 에너지 패킷으로 작업하는 경우 외부 교란에 훨씬 더 취약합니다."

Akash Dixit은 양자 컴퓨터를 사용하여 암흑 물질을 찾는 팀에서 일하고 있습니다. 여기서 Dixit은 초전도 큐비트를 포함하는 마이크로파 공동을 보유하고 있습니다. 전자레인지 도어의 스크린에 구멍이 있는 것과 마찬가지로 캐비티의 측면에도 구멍이 있습니다. 구멍은 전자레인지가 빠져나가기에는 너무 작습니다. 신용: Ryan Postel, Fermilab

큐비트가 이러한 양자 수준에서 작동하려면 외부 간섭으로부터 큐비트를 보호하고 지속적으로 낮은 온도를 유지하는 신중하게 제어되는 환경에 있어야 합니다. 아주 작은 방해라도 양자 컴퓨터의 프로그램을 중단시킬 수 있습니다. 극도의 민감도를 통해 Chou는 양자 컴퓨터가 암흑 물질을 탐지하는 방법을 제공할 수 있다는 것을 깨달았습니다. 그는 다른 암흑 물질 탐지기도 양자 컴퓨터와 동일한 방식으로 보호되어야 한다는 점을 인식하여 아이디어를 더욱 확고히 했습니다.

Chou는 "양자 컴퓨터와 암흑 물질 탐지기 모두 철저히 보호되어야 하며, 뛰어넘을 수 있는 유일한 것은 암흑 물질"이라고 Chou는 말했습니다. "그래서 사람들이 동일한 요구 사항을 가진 양자 컴퓨터를 구축하고 있다면 우리는 왜 그것을 암흑 물질 탐지기로 사용할 수 없는가?'라고 물었습니다."

When dark matter particles traverse a strong magnetic field, they may produce photons that Chou and his team can measure with superconducting qubits inside aluminum photonA photon is a particle of light. It is the basic unit of light and other electromagnetic radiation, and is responsible for the electromagnetic force, one of the four fundamental forces of nature. Photons have no mass, but they do have energy and momentum. They travel at the speed of light in a vacuum, and can have different wavelengths, which correspond to different colors of light. Photons can also have different energies, which correspond to different frequencies of light." data-gt-translate-attributes="[{"attribute":"data-cmtooltip", "format":"html"}]"photon cavities. Because the qubits have been shielded from all other outside disturbances, when scientists detect a disturbance from a photon, they can infer that it was the result of dark matter flying through the protective layers./p>