几十年来，科学家一直在努力定义构成宇宙四分之一的物质：暗物质。随着实验继续空手而归，一个团队希望通过将支配亚原子粒子量子力学的定律与一种叫做量子计算机的新兴技术结合起来，从而找到暗物质。这正是费米实验室科学家丹尼尔·鲍林（Daniel Bowring）进入芝加哥大学（University of Chicago）合作者大卫·舒斯特（David Schuster）量子计算实验室的原因。
用量子计算机来寻找暗物质
今天，该实验实验室位于伊利诺伊州巴达维亚市外的费米实验室内，在一个高天花板的房间里，房间的墙壁全是白色的，仓库的楼梯底部有一座黑色的物理设备塔，用玻璃隔板隔开。在费米实验室时，典型的量子计算组件就放在远处的墙上：一个电子塔和一张桌子，桌上有一台电脑显示器，旁边是一个人大小的银制圆筒，挂在一个叫做稀释冰箱的钢架上，使超导元件的功能保持在绝对零度以上。当冰箱抽出液体氦气时，房间里回荡着一种有节奏的尖叫声。鲍林、费米实验室研究员拉克希亚·哈蒂瓦达(Rakshya Khatiwada)和芝加哥大学研究生阿卡什·迪克西特(Akash Dixit)和安库尔·阿格拉瓦尔(Ankur Agrawal)给我展示了它是如何工作的。它被称为QISMET，是量子信息科学计量学的简称。
QISMET 实验
如今的量子计算机能力有限，只在一些主要用作随机数发生器的人工算法方面表现出色，尽管量子计算机制造商希望这些设备有朝一日能解决常规计算机所不能解决的问题。但一个暗物质搜寻小组用量子计算机建造了一个暗物质探测器。他们正在建设中的费米实验室设备巩固了极端传感，成为当今量子技术的最佳实际应用之一。
鲍林意识到，这项实验结合了两个过度炒作的物理学术语，他担心这一领域的炒作可能会对量子科学的资助产生极大的影响。“当我告诉人们我用量子比特寻找暗物质时，”他说，“我觉得有点傻，通常努力解释，我们诚实地讲道，我们真正认为这项技术是最具吸引力的技术，使我们能够寻找更高质量的a轴子。”
典型的暗物质实验建造在极端的地方，比如国际空间站和深山之下，他们在那里寻找新粒子的迹象，其中含有大量的液态氙、蓝宝石晶体和碰撞粒子。也许解释所有额外引力的最受欢迎的候选者是一类基本粒子，几乎不与规则物质相互作用，恰当地称之为弱相互作用的大质量粒子（WIMPs）。在寻找WiMPS的过程中，其他科学家一直在寻找另一个被称为轴子的受欢迎的候选者。
用液态氙寻找暗物质，图为存储液态氙的罐
轴子很受欢迎，因为像WIMPs一样，它们可以解决空间中暗物质的奥秘以及围绕亚原子粒子行为的谜团。在轴子的情况下，这个问题被称为强CP问题。把原子核结合在一起的力叫做强力，根据我们对其他力的了解，如果你用一个相同的粒子交换一个具有相反电荷（C）和宇称（P）的粒子，物理定律就没有理由是相同的。然而不知何故，受到强力的粒子保持了这种对称性。20世纪60年代，物理学家罗伯托·佩切伊和海伦·奎恩设计了一种理论来解释这些性质的明显守恒。后来，物理学家Frank Wilczek和温伯格意识到这个理论为一个极为轻质的新粒子提供了空间。但是，如果存在公理，它们将具有解释“冷”暗物质的性质，这是宇宙学家认为充满宇宙的暗物质：丰富而缓慢移动的粒子，它们只经历长距离的引力。所以物理学家开始寻找它们的踪迹。
伊利诺伊州费米实验室量子位的装置。
鲍林是轴子暗物质实验(AdMX)成员，是最著名的轴子探测实验主要成员之一。ADMX是一种放置在地下洞室磁场中的天线，它有一个旋转的调谐棒，可以调节其敏感的电磁辐射的微波光子粒子的频率。物理学家们认为，在强磁场的存在下，轴子会变成光子，而ADMX实验则是缓慢地旋转调谐棒，以扫描某些频率的光子，如调谐无线电拨号盘。鲍林说，除了信号太弱，就像试图用地球上的一个手机塔接火星上的电话。
如果起源于光子的轴子具有高于几千兆赫的频率，那么实验中任何物体用温度发射的光子都会淹没信号，甚至在放大器等组件的帮助下。放大器有其自身的局限性；用于ADMX的放大器需要同时了解光子的相位和振幅。但是量子力学的一个核心理论，不确定性原理，说某些性质的组合不能同时精确测量，包括振幅和相位的组合。研究者只是想知道轴子是否存在，所以他们需要一个能够最大限度地提高实验对光子振幅的敏感性的系统，而不管它的其他属性是什么。
ADMX团队成员意识到他们可以利用量子计算专业知识来解决他们的量子问题。鲍林解释说：“光关心微波光子是不够的，我们还需要一次关心一个微波光子的人。”这把他们带到了量子计算界。
伊利诺伊州费米实验室的一个量子位。
2007年，当时在耶鲁大学工作的物理学家大卫·舒斯特（David Schuster）问他的导师，量子比特是否可以作为天文学的有用探测器，毕竟量子计算机的核心部件量子比特本质上只是一个超灵敏的光探测器。但他的导师回应说，这种装置不适用于天文学，因为除非光子神奇地出现在容纳量子位的腔中，否则它无法探测到光子。舒斯特说：“它很敏感，但只擅长探测洞中的东西。”
近10年后，现任芝加哥大学教授的舒斯特在费米实验室与另一个团队讨论超导射频腔时，遇到了费米实验室和ADMX物理学家Aaron Chou。Aaron Chou听说过舒斯特的量子比特，也知道舒斯特对利用量子比特进行感知的兴趣。理论认为，当轴子在一个非常强的磁场中相互作用时，它们变成光子，使它们神奇地出现在一个盒子里。他们发现了一种应用，量子计算可以带来一个有用的天文学实验。
从技术意义上讲，量子计算机只是用来进行计算的计算机；否则，它们的量子比特只是人造原子系统。最流行的量子位结构是由一圈超导导线组成，电流通过这些导线时没有电阻，在一个叫做约瑟夫森结的区域内被一小块绝缘体破坏。这些环中的每一个都遵循着量子力学的规则，就像电子在环绕原子的轨道上一样：在一个频率合适的光子存在下，它们进入一个激发态，在环中表示为通过导线的少量电流。但鲍林解释说，与原子的电子不同，量子位元是响应于一系列光子频率而不是像原子那样的单个频率而发光的。
- 图注：超导射频腔连接到伊利诺伊州费米实验室的稀释冰箱上，这是物理学家亚历克斯·罗曼恩科进行的量子计算实验的一部分。
QISMET并不是一台量子计算机，因为它不做任何计算，但它基于相同的技术。QISMET超导量子比特中的每一个都是一块玻璃，可以放在你的指尖上，上面刻有一对天线，如果你斜视的话，玻璃上的黑线是肉眼可见的。超导环是微观的，在黑线之间看不见。
迪克西特，芝加哥大学的研究生之一，带领我参观轴子探测过程：首先，放置一个射频腔，一个空的盒子，它的墙壁像镜子一样，在一个强磁铁的内部捕获光子，所以这些轴子变成了光子。如果出现光子，将该光子移入另一个包含量子位元的射频腔（超导技术可以在强磁场中抗争）。使用无线电脉冲一次又一次地测量量子位，看看它是否处于一个激发态，比单独随机性所允许的更频繁，而且只有当磁铁打开时。如果是，则（除了任何其他解释）QISMET检测到轴子。
哈蒂瓦达告诉我，这个小团队在不到一年的时间里从一个空实验室变成了一个概念验证系统。她加入了奇斯梅尔公司，担任ADMX的低温电子专家，并被吸引到基于量子比特的光子传感器实验中。她说：“我想做一个实验，最好是寻找轴子的最敏感的实验。”“这只是为了让搜索变得更好更敏感。”
QISMET遭受与其他量子计算机相同的问题，迪克西特解释说。“我们知道量子比特可以计算光子，但它们也会犯很多错误。”他说,“我们想知道如何将所有这些错误考虑在内。”这意味着确保空穴尽可能空，并尽可能长时间存储轴子的光子，研究人员理解量子比特可能意外地翻转到未激发的激发态。Aaron Chou在一封电子邮件中说，研究小组可能还要一年时间才能完成实验的纠结。
其他科学家已经开始将量子直觉纳入他们自己的暗物质搜索中，例如轴子猎物HaSTAC实验或费米实验室科学家亚历克斯RoimeNo的暗SRF实验，试图在超导射频腔中产生暗物质候选物，并在另一个探测腔中检测暗物质候选物。
费米实验室园内的退役实验装置。
费米拉布副首席技术官安娜·格拉塞利诺告诉我说，进行这些实验，推动了这两个领域的携手共进。她说：“我想说，这项技术正在推动搜索，但搜索本身给了我们进一步探索量子领域技术的动力。”量子计算和轴子搜索技术共享了一个相关但最终不同的目标，这推动了整个领域的发展；迪克西特说，大多数致力于制造量子计算机的公司并没有像QISMET团队必须的一样考虑量子位错误——他们需要一些最低的错误率。
鲍林说，在进行这样的基础科学实验方面，最大的挑战之一是劳动力的发展。IBM、Google、Intel、Microsoft和其他大公司都在一个潜在人才相对较少的领域追求量子技术。鲍林可以为即将毕业的求职者提供博士后研究员的薪水，而科技公司可以提供几倍的薪水。他说：“我们只能以人手所能及的速度前进。”
但是，一旦QISMET启动并运行，很可能在谷歌和IBM的量子计算机等公司拥有有用的计算应用之前，它将展示量子技术比现有传感解决方案的真正优势。这项工作证明了基础研究在突破技术界限，以解决只有物理学家才能解决的问题方面的重要性，比如如何找到可能不存在的亚原子粒子。这项实验的科学家们并没有试图开发出一种有朝一日可能产生利润的产品，而是受到强大而神秘的好奇心的驱使。
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