2026年4月23日——宇宙的大部分对我们来说仍然不可见，美国能源部费米国家加速器实验室的科学家们正在开发新的量子技术来寻找它。

虽然普通物质构成了恒星、行星和人类，但它只占宇宙质量的一小部分。其余的是暗物质，这种神秘的物质不反射、不发射也不吸收光。现在，费米实验室的副科学家姚璐正在领导一个项目，推进量子技术，以寻找暗物质相互作用的微妙间接信号。

姚璐获得了2025年能源部早期职业奖，以资助他的研究。他的工作重点是开发可扩展的超导腔阵列，这将有助于量子增强搜索一种被称为暗光子的暗物质候选者。

姚璐的研究将在费米实验室的超导量子材料和系统中心进行。该中心是能源部五个国家量子信息科学研究中之一，是国家开发世界上最强大的量子计算机和传感器计划的一部分。

暗光子是假设的粒子，其行为类似于极其微弱、不可见的电磁场版本。如果它们存在，它们可能会偶尔在探测器中留下微弱的微波信号。

物理学家面临的挑战是他们事先不知道信号的频率。这就像扫描无尽的无线电白噪声，希望能偶然发现一个未知电台的孤独而微弱的广播。在标准搜索中，科学家们使用微波腔，本质上是一个精心设计的金属谐振器，作为敏感的天线。如果暗光子以正确的频率存在，它可能会在腔中留下微弱的信号。但由于频率未知，搜索必须逐个设置进行调谐和监听。

为了突破这种扫描瓶颈，姚璐将超相干腔硬件与纠缠操作、量子态制备和低损耗互连（允许腔高效共享信号的特殊链接）结合起来，使多个腔能够作为一个协调的传感器阵列运行。

通过远程量子纠缠连接这些腔，传感器可以作为一个单一的、有凝聚力的单元运行。这种量子增强阵列使系统能够比单个传感器更快、更灵敏地扫描频率“无线电拨号盘”。

“关键不仅仅是建造更好的腔，”姚璐说，“而是学习如何让许多超相干传感器协同工作，使纠缠在实验中成为真正的优势。”

一个四腔原型被设计为更大阵列的基础，是该项目的第一个里程碑。虽然初始系统规模不大，但其架构是可扩展的。

“如果我们能在该规模上展示正确的架构和控制，我们可以将相同的框架扩展到更大的阵列，”姚璐说。

该项目利用了超导量子计算的技术，这些技术在传感方面特别强大。这些方法使得制备、纠缠和无损测量高度激发的非经典腔态成为可能，这些是将量子相干性转化为实际传感优势的关键资源。

姚璐的研究旨在展示暗物质检测中可测量的量子优势，同时指导更广泛的量子传感器设计，包括未来对轴子等粒子的搜索。除了传感之外，相同的硬件和互连架构也是超导量子材料和系统中心模块化量子计算和分布式量子通信发展的关键。这些进步最终可能通过实现更快、更高效的计算系统和更安全的通信网络而造福社会。