设计新的暗物资探测器：机械学习进步量子传感

怎样探测暗物资——一种可能占宇宙中全部物资六分之五的弗成见、多少乎有形的物资？暗物资应当就在咱们身边，对畸形物资发生渺小的影响，但到现在为止，搜寻都是空的。但一项新的研讨标明， 采取呆板进修的战略能够辅助量子传感器终极追捕它。这种超敏锐传感器还可能存在其余利用，比方无 GPS 导航、探测地下掩体以及发明 年夜爆炸后时辰的时空引力纹波。本文援用地点：咱们晓得暗物资的存在是由于它对星系活动的引力影响。但咱们不晓得它是由什么构成的，也不晓得它怎样与形成你或我的一样平常颗粒彼此感化。只管迷信家们曾经为暗物资的潜伏构成跟准确特征假想了数十种模子，但这些倡议中的年夜少数都猜测了对畸形粒子的极小影响。检测这些渺小彼此感化的一种可能性是量子传感器。量子效应轻易遭到外部烦扰，量子传感器应用这种懦弱性来呼应情况中最稍微的烦扰，比方暗物资跟畸形物资之间的彼此感化。这项新研讨的重点是原子干预仪，这是一种量子传感器，它依附于一种称为叠加的效应，此中一个原子基础上能够同时存在于两个或多个处所。传感用具有这些薛定谔猫状状况，此中原子沿着差别的门路飞翔，而后从新组合。因为粒子波二象性（粒子能够像波一样感化的量子景象，反之亦然），这些原子彼此干预，它们的波峰跟波谷彼此克制或加强。检讨这种烦扰能够提醒在差别路程中阅历的略有差别的活动的水平。迷信家们用来进步这些干预仪敏锐度的一种方式依附于这些传感器采取的激光脉冲来决裂原子波并将它们彼此反射返来。这些激光脉冲代替了光学干预丈量中的传统反射镜。伊利诺伊州埃文斯顿东南年夜学（Northwestern University）物理学跟地理学助理教学蒂莫西·科瓦奇（Timothy Kovachy）说，每次原子波从这些长久的镜子中反弹时，“咱们正在寻觅的旌旗灯号就会被缩小，就像光旌旗灯号在镜面腔中反弹时被缩小一样。但是，原子波能够阅历这种反射的次数取决于原子镜的品质，“制造一个好的原子镜相称艰苦，”Kovachy 说。当初，在这项新研讨中，Kovachy 跟他的共事提醒了一种增添原子镜可能反射数目的战略。应用呆板进修，新方式不是从最多 10 个大概 10 个激光脉冲的序列中反射原子波，而是支撑大概 500 个脉冲的序列。更敏锐的原子干预仪新战略“并不保持制作完善的原子镜，”科瓦奇说。“相反，它正在寻觅一种方式来改良很多差别原子镜的群体净尽力，弥补每个独自原子镜的缺点。”成果是原子干预仪在试验室测试中的机能进步了 50 倍。“当咱们开端这项任务时，我真的不想过会失掉这种水平的改良，”Kovachy 说。“当有惊喜时，老是很愉快。”Kovachy 说，研讨职员当初盼望经由过程“应用原子干预仪对暗物资的第一次严重搜寻运动”来实行他们的新技巧，该运动现在正在建立中。“咱们估计第一批搜寻将在三到五年阁下的时光里上线。咱们盼望与更好的原子光学相联合，将它们的敏锐度进步到原子干预仪当初的才能可能超过多少个数目级。Kovachy 说，更准确的原子干预仪可能另有其余利用，比方无 GPS 导航。辅助启用寰球导航卫星体系的卫星链路在水下或地下都不起感化，即便它们任务，也轻易遭到烦扰、诈骗跟气象的影响。量子活动传感器能够辅助作为惯性导航体系的基本，该体系不依附任何外部旌旗灯号。Kovachy 弥补说，原子干预仪还能够辅助丈量地球引力场的强度，该强度在地球名义可能会有所差别，详细取决于其下方会合的品质。这种重力传感器的潜伏利用包含检查暗藏的地下构造、检测地下天然资本、发明地下考古遗迹以及监测火山运动跟地下水流。“我真的没想过会有这种水平的改良。”—Timothy Kovachy，美国东南年夜学正在开辟中的 100 米高乃至年夜型原子干预仪（比拟之下，尺度原子干预仪只有 1 或 2 米高）有朝一日乃至可能有助于探测时空荡漾，称为引力波。迷信家们于 2015 年应用激光干预仪引力波地理台 （LIGO） 发明了这些波的第一个直接证据，这可能是由两个黑洞碰撞惹起的。Kovachy 说，原子干预仪实践上能够检测到来自显明差别变乱的引力波，比方被称为收缩的奥秘时期，事先宇宙在年夜爆炸后未几阅历了宏大的增加突增。将来的研讨应当应用差别范例的原子干预仪来研讨这项新技巧。在这项新研讨中，迷信家们实验了一种基于锶原子的安装，但“铷原子相对是原子干预丈量的主力军，”科瓦奇说。