2026年2月16日——美国能源部橡树岭国家实验室的研究人员正在为最终发现暗物质铺平道路。通过采用量子光学传感技术对量子领域进行全新测量，该实验室科学家正在开发“超越视觉的视觉”方法，以探测这种神秘、不可见却似乎无处不在的物质。

在推动能源竞争力和安全性的同时，橡树岭国家实验室致力于促进创新、量子增强的未来，部署其广泛的专业知识和能力，在量子尺度上创造更安全、更快速、更可靠的解决方案。利用先进的探测能力，量子传感有望探测到以前无法观测到的现象，如材料的新特性或宇宙的基本组成部分。

实验与理论方法揭示隐形粒子

为此，橡树岭国家实验室量子传感与计算组的研究科学家克莱尔·马文尼和组长阿尔贝托·马里诺，与橡树岭国家实验室及韩国的同事一起，成功实施了一项分布式传感实验。基于非线性干涉仪配置中的双模压缩光源，他们利用量子噪声抑制测量了两个光学相移。其理论扩展——从双模到M模（即通过分离传感器测量参数、精度超越经典极限的纠缠分布式传感配置）——也展示了超越单纯压缩的额外量子测量增强效果，相关成果已发表在《物理评论研究》上。

“光机械传感器——可以想象成小膜片或鼓面——在受力时会来回移动，”马里诺解释道，“原理是暗物质会与这些膜片相互作用使其运动。通过使用光（特别是用激光束照射）我们可以检测膜片的运动。借助量子光（如具有降噪特性的压缩光），我们能更灵敏地探测这种运动，提高测量精度。”

虽然暗物质被认为构成了宇宙中的大部分物质，但其粒子仍停留在假说阶段且难以捕捉。由于暗物质对光的电磁辐射没有可辨识的反应，它不可见且无法通过望远镜或其他依赖光的探测设备检测。然而，通过其对可见物体的引力影响，暗物质在宇宙中的存在是可感知的。

量子传感推动粒子探测创新

该研究团队使用两个分布式传感器，并利用两种量子资源提高探测灵敏度：一是将量子噪声抑制至经典光学极限以下的压缩技术；二是光束间具有量子关联特性的纠缠技术。

“经典方法无法达到探测暗物质所需的灵敏度极限，”马文尼表示，“我们需要量子优势，因此使用这两种资源来优化传感器，展示了原理验证级的改进。”

该团队的发现成功证明了压缩和纠缠作为资源在分布式量子传感器网络中实现量子增强的作用。通过光探测这些微小机械运动，分布式传感方案使用光机械系统测量多个独立传感器的平均信号，实现对其集体运动的量子增强探测——从而提高系统对所有传感器交互分布式信号的灵敏度。

这些成果将推动精密相位测量研究（如正在进行的暗物质直接探测），同时通过模拟暗物质相互作用的原理验证实验，为超灵敏测量铺平道路。

“双模压缩光源的初始两模是纠缠的，”马文尼说明，“我们可以直接从源头建立纠缠并加以利用，这就是我们采用的全新方法。”

暗物质粒子可能存在多种类型且能量尺度各异，理论物理学家对宇宙大爆炸后粒子起源理论尚未达成共识。作为这项工作的一部分，马文尼和马里诺正在开发探测超轻质量暗物质所需的技术——这是两种可能对第五种力敏感暗物质候选者之一（如2022年Snowmass Windchime白皮书所述）。这种暗物质候选者的质量可能仅有电子质量的十亿分之一。

“超轻质量暗物质如同波，若配备多个传感器，它们将集体与暗物质波相互作用并检测相同信号，”马里诺在讨论高密度玻色子暗物质时表示，“在此条件下，我们正探索利用纠缠等量子资源进行更精确测量的方法。”

量子光提升测量精度

这种对极小粒子的探索需要精密仪器和极大耐心。干涉仪作为精密测量工具，可通过镜面运动引起的波间干涉波动进行探测，使研究人员能推断与镜面相互作用的粒子或场特性。

基于压缩和纠缠的量子增强传感方法为测量增添精度，使其超越经典测量技术的极限。通过展示压缩优势及传感探测光中纠缠的额外益处，科学家能提高联合测量灵敏度，探测先前不可见的微弱信号，从而深化对粒子行为及物理世界的理解。

“暗物质信号预计极其微弱，我们需要所有可能的优势，”马文尼强调，“不仅要利用能集体探测的大型阵列，还要运用量子降噪和纠缠技术来降低噪声、增强测量。”

暗物质搜索类似于将海床划分为网格搜寻失踪船只，但每个实验仅搜索广袤网格中的一个方格。全球众多研究人员在不同方格中工作，随着发现逐步拼合成完整图谱。随时间推移，被观测区域会逐一排除作为可能存在失踪船只（或难以捉摸的暗物质粒子）的位置。

然而，在单个方格内划分更精细的网格线，可观测到更微小特征——如同失踪船只的碎片——这些碎片此前因太小而无法观测。通过非线性干涉仪实现量子降噪提升系统灵敏度，该团队有效“放大”了观测方格的视野。

这种细致的排除过程能清晰呈现团队扫描的“海床”象限内更微小特征，从而在此前已被排除区域实现前所未有的观测精度。引入纠缠技术后，研究人员可进一步提升测量的信噪比，揭示更微弱信号——类比于发现船只更微小的分解部件。

“实验中使用的双模压缩态由两束纠缠光组成，”马里诺解释道，“它们间的纠缠（量子关联）在进行联合测量时会产生压缩（降噪）效应。我们可以利用这种压缩特性，通过双模压缩态探测光机械传感器来降低测量噪声基底——提高灵敏度。”

马里诺补充道：“对于传感器阵列，存在用独立量子态光分别探测每个传感器以通过降噪获得量子增强的方法。同时也可利用多光束间的纠缠（量子关联）执行多传感器集体测量，获得更大增强。”

无论暗物质的发现是揭示未知粒子存在、修正引力理论认知，还是开启黑洞现象新理解，都必将产生巨大影响。它有望解开从天文学、星系到其间运动的无数粒子的奥秘，揭示支配它们行为的规律，改变标准物理模型，重塑人类对宇宙的集体认知。

“终极目标是实现暗物质探测，”马里诺表示，“我们现在正在开发必要技术——进行原理验证的基础实验奠定根基。”

这种“测绘海床”的初始方法虽耗时费力，但随着测量工具和技术（如压缩与纠缠）的每次进步，传感能力不断提升，搜索灵敏度持续增强，为可能颠覆物理学研究的重大发现创造条件。

“暗物质不仅有助于解释宇宙构成，还能揭示其组成成分，”马文尼指出，“它将帮助人们理解基础物理及额外粒子与力的存在。”

该研究还获得韩国标准科学研究院（大田）、延世大学（首尔）和韩国科学技术研究院（首尔）研究人员的贡献。研究资金部分来自橡树岭国家实验室量子科学中心第一阶段项目、美国能源部高能物理办公室QuantISED计划及韩国政府资助。