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，既不发光、不吸光，也不反射光，且与常规物质的交互极其有限。这使得科学家难以用传统的粒子探测手段来捕捉它的踪迹。
由于暗物质从未被直接观测到，其确切成分仍属未解之谜。当前，有理论推测这种物质可能由质量极低、低于1电子伏特的粒子构成，这些粒子的行为更像波而非粒子。
近日，来自东京大学和中央大学的研究团队尝试将量子传感器引入亚GeV级暗物质的探测中。量子传感器依托量子力学原理，能够捕捉极其微弱的物理信号，是当前传感技术的前沿方向。
该研究团队的相关成果发表于《物理评论快报》，文章强调了这类传感器在捕捉轻暗物质运动方向与速度方面所展现出的潜力。
论文第一作者福田健二（Hajime Fukuda）向Phys.org表示：“我在浏览arXiv上的量子物理领域论文时注意到，分布式量子传感正成为研究热点。我们开始思考，是否可以将这一技术用于高能物理，特别是在暗物质探测方面。”
福田及其团队的研究聚焦于如何将量子工程与粒子物理相结合，以提升当前暗物质探测技术的效能。长期以来，物理学家主要依赖探测暗物质与原子、原子核碰撞后产生的微弱信号或振动，以识别重暗物质。
福田指出：“这种方法在理论上能测出暗物质的速度，但在实验层面极具挑战性。”
“然而，当目标是更轻的暗物质时，通常只能通过某些离散的激发模式来探测，速度信息便难以获取。我们提出了一种新思路——利用空间分布式的探测器阵列，而非通过信号反冲路径来确定其速度。”
在新方案中，研究人员利用多个探测器和一种基于量子测量的协议，将探测器数据转化为量子传感器数据，从中提取出关于暗物质运动状态的关键信息。团队通过系统分析验证了该方法的可行性，并发现其显著提升了探测灵敏度。
福田进一步解释说：“以往的研究曾尝试用细长探测器或经典探测器阵列来追踪轻暗物质，但这些方法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，具有更强的通用性和更高的灵敏度。”
打开暗物质探测的新视角
这项研究提出的探测策略不仅具有理论意义，也为未来的实验研究提供了可行路径。研究人员相信，该方法有望在短时间内进一步优化，并被应用于实际的暗物质探测实验。
此外，该工作可能激发更多高能物理学家关注量子传感技术在粒子精确测量中的潜力。
福田补充道：“我们证明了量子技术在高能物理中具有广阔的应用前景。我期待在未来的探索中，进一步拓展量子传感器的应用边界，比如同时测量暗物质的速度与空间分布。”
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