量子传感器助力追踪轻暗物质的运动轨迹
暗物质是一种极为神秘的存在，它不发光、不吸收光、也不反射光，与普通物质的相互作用极其微弱。这些特性使得科学家难以采用传统粒子探测技术来捕捉其踪迹。
尽管暗物质的构成至今仍是未解之谜，但有理论提出，它可能由质量极低的粒子组成，这些粒子的质量甚至低于1电子伏特（eV）。在这一尺度上，粒子的波动特性更为显著，呈现出类似波而非粒子的行为。
来自东京大学与中央大学的研究人员近期在探索一种利用量子传感器探测亚GeV级暗物质的新方法。量子传感器是一种依赖量子力学原理工作的系统，能够捕捉极其微弱的信号，因此在高精度探测领域具有巨大潜力。
他们的研究成果发表于《物理评论快报》（Physical Review Letters），展示了量子传感器在测量轻暗物质运动速度与方向方面的独特优势。
“我在浏览arXiv平台上关于量子物理的最新论文时，注意到分布式量子传感已成为研究热点。”该论文第一作者福田博己（Hajime Fukuda）在接受Phys.org采访时说道。“我们开始思考，这种技术是否可以应用到高能物理领域，尤其是暗物质探测方面。”
速度与方向的测量挑战
福田及其团队的最新研究结合了量子工程的进展与粒子物理的理论，旨在提升暗物质探测的精度。传统上，物理学家主要依赖探测暗物质与探测器中特定材料碰撞后产生的信号来寻找重暗物质。
福田指出：“对于重暗物质，测量其速度是相对直接的，尽管在实验上仍面临不少挑战。”但他也强调，对于质量更轻的暗物质粒子，目前的方法存在局限，因为它们通常激发的是离散的模式，难以从中提取速度信息。
“我们发现，通过空间扩展探测器，而非检测反冲径迹，我们有可能测量出轻暗物质的运动速度。”
在他们的研究中，研究人员提出了一种全新的测量策略。该策略依赖于多个探测器和一个基于量子测量的协议。探测器采集到的数据被处理为量子传感器输出，进而可用于提取暗物质的运动信息。
福田进一步表示：“过去的研究尝试通过细长探测器或经典探测器阵列来探测轻暗物质，但这些方法依赖于特定的相互作用机制。而我们提出的方法更具普遍性，且具有更高的灵敏度。”
开启暗物质探索新路径
这项研究为寻找轻暗物质提供了一种全新的思路，并有望在未来进一步发展并应用于实际实验中。该成果也为粒子物理和高能物理研究提供了新的工具，进一步拓展了量子传感技术的应用边界。
福田表示：“我们已经证明，量子方法在高能物理中能够发挥重要作用。”他补充道，“我相信量子传感器在我们这个领域还有更多应用潜力，我们期待继续探索。下一步，我们可以尝试利用传感器阵列不仅测量速度，还测量暗物质的分布特征。”
更多信息：“Directional Search for Sub-GeV Dark Matter with Quantum Sensors,” by Hajime Fukuda et al., Physical Review Letters (2025). DOI: 10.1103/cwx5-2n1y.