量子传感技术助力轻暗物质探测方向研究
暗物质是一种神秘的宇宙成分，它既不发光，也不反射或吸收光线，与常规物质之间的相互作用极为微弱。这些特性使得科学家难以使用传统粒子探测手段对其进行研究。
尽管科学家们长期以来一直在尝试揭示暗物质的本质，但至今仍未确定其具体构成。目前有一种理论认为，暗物质可能由质量极低的粒子组成，其质量低于1电子伏特，这类粒子更接近于波动行为，而非典型的粒子属性。
来自东京大学和中央大学的研究人员最近尝试将量子传感技术引入暗物质探测领域。量子传感器是一类依赖量子力学原理工作的高灵敏度测量系统，能够捕捉极为微弱的信号。
他们的一项研究发表于《物理评论快报》，论文重点探讨了如何利用这些先进的传感器系统来探测和追踪轻暗物质的速度与运动方向。
论文第一作者福田宏美在接受Phys.org采访时提到，在浏览arXiv网站上的量子物理相关研究时，他注意到分布式量子传感已成为一个备受关注的研究方向。这促使他和他的团队思考，是否可以将这一技术应用于高能物理研究中。
“我们想到，或许可以利用量子传感技术来探测暗物质。”福田表示。
新方法追踪轻暗物质的速度与方向
福田及其团队的研究目标是将量子工程领域的最新成果与粒子物理学相结合，为暗物质探测工作提供新的技术支持。目前，科学家主要通过探测暗物质与特定材料中原子或原子核碰撞后产生的信号来寻找重暗物质。
福田解释说：“对于重暗物质来说，测量其速度相对较为直接，虽然实现起来仍面临诸多挑战。”
“然而，当暗物质质量较低时，传统方法难以捕捉其速度信息，因为这类粒子通常通过离散的激发模式与探测器发生作用。”
研究人员提出了一种新颖的策略，即通过部署多个探测器并采用量子测量协议，来同时获取轻暗物质的速度和方向信息。
在该方法中，探测器采集的数据将作为量子传感器输出的信号，研究人员可以从中提取有关暗物质运动状态的关键信息。通过一系列分析，研究团队验证了这一策略在提升探测灵敏度方面的潜力。
福田指出：“此前，人们尝试通过细长探测器或经典探测器阵列来寻找轻暗物质，但这些方法往往依赖于特定的相互作用机制。而我们的方法基于量子传感器阵列，具有更强的通用性，且灵敏度也更高。”
量子传感开启暗物质研究新路径
这项研究为未来探测轻暗物质提供了新的思路，研究方法有望进一步优化，并应用于实际探测实验。此外，该成果也有可能激发更多高能物理和粒子物理领域的研究者，探索量子传感在精确粒子测量中的应用。
福田补充道：“我们证明了量子技术在高能物理领域具有广阔的前景。”
“我认为量子传感器在我们这个领域还有更多潜在用途，我期待继续探索这些可能性。下一步，我们计划改进现有方法，尝试利用传感器阵列不仅测量暗物质的速度，也测量其空间分布。”
更多信息：Hajime Fukuda 等人，《利用量子传感器定向搜索轻暗物质》，《物理评论快报》(2025)。DOI：10.1103/cwx5-2n1y。
期刊信息：Physical Review Letters、arXiv