1月29日，中科大自旋磁共振實(shí)驗(yàn)室彭新華教授和江敏教授團(tuán)隊(duì)在《自然》雜志發(fā)表最新研究成果：他們革新核自旋量子精密測(cè)量技術(shù)，成功搭建國(guó)際首個(gè)基于原子核自旋的量子傳感網(wǎng)絡(luò)，連接合肥與杭州，讓暗物質(zhì)探測(cè)靈敏度實(shí)現(xiàn)質(zhì)的飛躍，為搜尋宇宙“隱形鄰居”提供突破性工具。

在浩瀚宇宙中，我們?nèi)庋劭梢?jiàn)的恒星、行星等普通物質(zhì)，僅占宇宙總質(zhì)量的4.9%。而占比高達(dá)26.8%的暗物質(zhì)，就像一位“隱形鄰居”——它不發(fā)光、不與普通物質(zhì)發(fā)生電磁相互作用，卻能通過(guò)引力影響星系運(yùn)動(dòng)，是宇宙構(gòu)成的關(guān)鍵部分。

基于城際量子傳感網(wǎng)絡(luò)的暗物質(zhì)搜尋示意圖

軸子，作為暗物質(zhì)的熱門候選者，其形成的場(chǎng)可能存在“宇宙褶皺”般的拓?fù)淙毕?，被科學(xué)家形象地稱為“暗物質(zhì)墻”。當(dāng)?shù)厍虼┰竭@堵“無(wú)形之墻”時(shí)，軸子可能與量子傳感器中的原子核發(fā)生極微弱的相互作用，產(chǎn)生轉(zhuǎn)瞬即逝的信號(hào)。要捕捉這個(gè)信號(hào)，難度堪比在人聲喧嘩的廣場(chǎng)上，精準(zhǔn)分辨出一片特定雪花落地的聲音。

為攻克探測(cè)難題，研究團(tuán)隊(duì)給量子傳感器裝上兩件“硬核裝備”：一是將轉(zhuǎn)瞬即逝的信號(hào)“儲(chǔ)存”在接近分鐘級(jí)的核自旋相干態(tài)中，大幅延長(zhǎng)了信號(hào)探測(cè)窗口；二是通過(guò)自研量子放大技術(shù)，將微弱信號(hào)增強(qiáng)一百倍，讓“蛛絲馬跡”不再難尋。

更進(jìn)一步，研究團(tuán)隊(duì)將五臺(tái)超靈敏量子傳感器分別部署在合肥與杭州，通過(guò)衛(wèi)星時(shí)間精確同步，構(gòu)建成分布式探測(cè)網(wǎng)絡(luò)。其核心邏輯是“多地比對(duì)、協(xié)同驗(yàn)證”：真實(shí)的宇宙信號(hào)會(huì)在各站點(diǎn)留下時(shí)間關(guān)聯(lián)痕跡，而局部干擾噪聲則雜亂無(wú)章、無(wú)法同步。這種組網(wǎng)模式能極大過(guò)濾誤報(bào)，極大強(qiáng)化探測(cè)結(jié)果的可靠性。

經(jīng)過(guò)兩個(gè)月的持續(xù)觀測(cè)，研究團(tuán)隊(duì)雖未捕捉到明確的“暗物質(zhì)墻”穿越信號(hào)，卻取得了關(guān)鍵進(jìn)展：在廣泛的軸子質(zhì)量范圍內(nèi)，給出了這一暗物質(zhì)模型最嚴(yán)格的限制標(biāo)準(zhǔn)。其中部分質(zhì)量區(qū)間的限制精度，比天文學(xué)家用超新星觀測(cè)的結(jié)果高出40倍，首次實(shí)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)室探測(cè)精度超越天文觀測(cè)。

研究人員表示，這一突破意味著，人類搜尋暗物質(zhì)的“工具庫(kù)”中，又新增了一款更精準(zhǔn)的“量子神器”。本次研究不僅為暗物質(zhì)探測(cè)開(kāi)辟了新路徑，其網(wǎng)絡(luò)化、分布式探測(cè)思路，未來(lái)還可與引力波天文臺(tái)協(xié)同，用于搜尋更多宇宙奧秘。

彭新華說(shuō)，下一步他們將進(jìn)一步擴(kuò)大“量子探測(cè)網(wǎng)”的覆蓋范圍，通過(guò)全球組網(wǎng)、空間部署等方式，進(jìn)一步提升暗物質(zhì)探測(cè)靈敏度，繼續(xù)向解開(kāi)暗物質(zhì)之謎發(fā)起沖擊。