2026年4月6日——近一个世纪以来，科学家们一直在寻找暗物质存在的证据，这种不可见的物质被认为构成了宇宙大部分质量。此类发现将帮助人类更深入理解宇宙及其运行机制。

但寻找这种难以捉摸的物质谈何容易。首先，无人确切知晓暗物质的构成，因此其粒子质量范围和信号频率跨度极其广泛。其次，暗物质与普通物质和光的相互作用极为罕见。为观测它，科学家需要依靠超高灵敏度探测器来捕获暗物质粒子产生的微弱信号。

在《物理评论快报》发表的研究中，来自费米国家加速器实验室、芝加哥大学、斯坦福大学和纽约大学的科学家团队采用最先进的探测器，以前所未有的精度加速搜寻理论预言的暗物质粒子——暗光子。若存在，暗光子将与可见光粒子光子存在远缘关联。

该研究由美国能源部“量子信息科学驱动发现计划”资助，该计划联合费米实验室与高校科学家共同推进量子传感器研发，为未来高能物理实验奠定基础。

参与研究的费米实验室科学家亚伦·周表示：“费米实验室在设计和建造超灵敏、低噪声电子设备方面具有深厚积累，是推进暗物质搜索等下一代量子科学研究技术的理想场所。”

暗光子存在于狭窄频段内，这意味着类无线电探测器必须精确调谐至特定频率才能捕捉其信号。研究人员通过将超导量子干涉器件（SQUID）置入三维微波腔体，使探测器能捕获暗光子的微弱信号。该器件的超导特性使其具备零电阻，可探测包括暗光子在内的最微弱信号。

该探测器能在宽频范围内快速搜寻微小信号的关键在于磁通调谐技术——通过电流而非手动方式调节设备。主导该研究的费米实验室前博士后赵芳解释道：“不同于传统收音机需物理旋钮调频，我们向SQUID施加电磁通量，精确控制其抵抗电流变化的能力。”

这种通量本质上改变了器件运动速率，类似电子钟摆。由于微波腔与SQUID耦合，SQUID的变化会相应改变腔体谐振速度，使其能“聆听”不同频率。

参与研究的芝加哥大学前研究生李子谦指出：“若无法电调频率，可能需要建造数十亿个探测器来捕获信号。而我们只需建造少量磁通可调探测器置于不同频段，就能以前所未有的速度捕捉潜在信号。”

传统可调探测器需通过物理外力改变腔体形状，或在连接电路中添加机械部件。这对基于量子比特的探测器构成挑战——这类设备需超低温环境工作，极端寒冷会导致机械部件卡滞损坏。此外，机械部件会释放大量热量，在腔体内产生噪声，干扰信号并降低读取量子信息的能力。

磁通调谐技术不仅能实现快速频率扫描，产热也极少。赵芳表示，量子相干性正是这些传感器如此精确的核心：“保护量子设备免受热噪声干扰以维持脆弱信号的完整性，是我们探测到它们的基本前提。”

研究团队在三天内扫描了22兆赫的相对宽频范围，扫描速率比机械调谐方法提升至少20倍。虽未发现暗光子踪迹，但他们在多机构前期研究基础上进一步缩小了暗物质可能存在的频段范围。

周强调：“我们真正目标是建造灵敏度空前的探测器——我们做到了。同时证实该探测器与暗物质搜索所用的量子比特信号读取系统完全兼容，所有组件集成后运行良好，为更大规模暗物质搜索奠定了基础。”

当前探测器结构简单，仅含一个腔体和一个SQUID可调器件。但扩展技术已在开发中，未来可将10个、50个甚至更多覆盖不同频段的腔体与单个可调元件结合，同步扫描范围可扩大50倍。

李子谦表示：“虽然扩展技术仍需改进，但现在我们确信能用相同检测技术在数天内探测更大范围的暗光子，实现暗光子全频段搜索已指日可待。”