A kvantumszámítógépek gyakorlati felhasználását illetően sokféle célt határoztak meg a kutatók, amelyek elérésében hasznos segítséget nyújthatnak a klasszikus számítógépeknél sokkal gyorsabb és bonyolultabb számításokra képes, kvantum alapú eszközök, azonban vannak olyan tudósok is, akik a legjelentősebb alkalmazási kört a tisztán elméleti kutatásokban látják. Míg a gyógyszer-, vagy anyagkutatási, esetleg pénzügyi számításokat elősegítő kvantumszámítógépes projektek eredményeképpen kézzelfogható produktumok születhetnek, addig a teóriák tesztelésére szolgáló kísérletek nem hoznak azonnali, konkrét hasznot, de olyan kutatásokat támogathatnak, amelyek évtizedek vagy akár századok óta keresett jelenségek felfedezéséhez járulhatnak hozzá.

A sötét anyag egyike lehet azoknak a jelenségeknek, aminek hosszú idő óta tartó keresés után végre nyomára akadhatnak a kutatók a kvantumszámítógépek révén, legalábbis erre a következtetésre jutott a Fermilab tudósa, Aaron Chou, vizsgálatai során. Az Egyesült Államok Energiaügyi Minisztériumának kutatási laboratóriumában (Fermi National Accelerator Laboratory) évekkel ezelőtt indult útjára a QuantISED program, ami a sötét anyag utáni nyomozást tűzte ki célul, méghozzá szokatlan formában:

az elképzelés szerint a kvantumbitek lehetnek a legmegfelelőbb segítőtársak a feladat megoldásában.

Aaron Chou, a program résztvevője, kutatótársaival együtt tavaly publikálta új felfedezéseit, melyek egyelőre nem a sötét anyag megtalálásáról, hanem egy egyedi technika kifejlesztéséről szóltak: az axionok és rejtett fotonok detektálására a tesztjeik szerint a kvantumbitek alkalmas jelöltek lehetnek különleges érzékenységük miatt.

A kutatók egy úgynevezett szupravezető üreget terveztek meg, ami képes begyűjteni és tárolni a fotonokat, majd az üregbe qubitot helyezve lehetséges megmérni a foton állapotát, méghozzá egymás után akár 50 alkalommal is. Így ugyan nem közvetlenül a sötét anyag részecskeit figyelik meg (ez a sötét anyag természetét tekintve lehetetlen), de azokat a fotonokat be tudják fogni, amelyek a sötét anyag és az elektromágneses mező interakciója során keletkeznek. Az üregek 99,9999% tisztaságú alumíniumból készülnek, amelyet nagyon alacsony hőmérsékletre hűtenek le, ebben a fagyos környezetben a fém szupravezetővé válik és tovább tudja megőrzni az egyébként rövid életű fotont.

"Ha az axionok léteznek, a kísérlet 1/10 000 eséllyel detektálja a sötét anyag interakciója által generált fotont"

- írják a munkában résztvevő Chicagói Egyetem közleményében.

A kísérlet hiányosságát a nem tökéletesen zajmentes környezet jelentette, a háttérfotonok ugyanis megzavarhatják a méréseket még ilyen alacsony hőmérsékleten is, ezért a kutatók azt tervezték, hogy egészen mínusz 237,58 Celsius-fokra hűtik le a vizsgált részecskéket. Lehetséges azonban, hogy nem is kell új berendezéseket előállítani a kutatás folytatásához, mivel már jelenleg is rendelkezésre állnak a tökéletes eszközök a fotonok észleléséhez.

A kvantumszámítógépekben működő qubitok rendkívüli érzékenységük miatt könnyen kizökkennek eredeti állapotukból és így az általuk hordozott információkat is elvesztik a környezettel való interakció következtében, ezért minél jobban védeni kell őket a külső behatásoktól. Ennek érdekében kriogenikus hűtéssel és más módszerekkel óvják a kvantumbiteket a gépekben, vagyis hasonló védelmet kapnak, mint a célzottan a sötét anyag kutatásához épített berendezések. Ha a kvantumszámítógépek elég érzékenyek a fotonok detektálásához, miközben kellően védettek a zajoktól, akkor miért ne lehetne őket felhasználni a sötét anyag kutatásához is?

Chou szerint a gépekkel lehetséges a sötét anyag hatására kialakuló fotonokat észlelni, egészen egyszerű módon: amennyiben egy foton megzavarja a rendszert, az nagy eséllyel a sötét anyag hatásának következményeit mutatja, nem valamilyen más forrásból származó részecskét, mivel a berendezés annyira védett minden más hatás ellen.

"Ezek a zavarok olyan hibaként valósulnak meg, mint mikor nem töltesz fel semmilyen információt a számítógépbe, de hirtelen az információ mégis megjelenik,

például a nulla, amely egyessé alakul azok miatt a részecskék miatt, amelyek átrepülnek az eszközön." - mondja Chou.

A kvantumszámítógépek által nyújtott védelem hatékonyságát már tesztelték a kutatók, de a tavalyi vizsgálatok óta még egy változtatást eszközöltek a kísérletben: alumínium helyett immár zafírt használnak a fotonokat csapdába ejtő üregek létrehozására, mivel az alumínium elveszti szupravezető képességét túlságosan erőteljes mágneses mező közelében. Az univerzum anyag-, és energiaháztartásának 27%-át kitevő sötét anyag létezésének konkrét bizonyítása így közelebb kerülhet, anélkül, hogy hatalmas, föld alatti laboratóriumokat és detektorokat kellene építeni, amelyeket a világ számos pontján alkalmaznak jelenleg. A Fermilab többek között a Gran Sassoban zajló Darkside kísérletben és a minnesotai Soudan bányában berendezett CDMS (Cryogenic Dark Matter Search) programban igyekszik eredményeket elérni a sötét anyag kutatása terén.

(Fotó: Ankur Agrawal/University of Chicago, Getty Images/Kevin Fleming)

Léteznek sötét csillagok, amiket nem fúziós energia, hanem a sötét anyag megsemmisülése fűt A kutatók újabb számítások alapján bizonyították a régi teóriát, ami szerint léteztek és talán még ma is léteznek sötét csillagok, amelyek teljesen más módon működnek, mint a fényes társaik.