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Pretenden usar qubits superconductores para descubrir nuevas propuestas de partículas de materia oscura.

En Física hay un problema desde hace décadas que todavía no se ha podido esclarecer: el asunto de la materia oscura, la materia invisible que representa el 85% de toda la materia en el Universo.

Todos los experimentos para tratar de encontrar las WIMPs que constituirían la materia oscura han fracasado, pero la masa que falta se puede ver ahí fuera, en las curvas de rotación de las galaxias, en las lentes gravitacionales o en la estructura a gran escala del Universo. Así que esa materia oscura, que ni emite ni bloquea la luz, debe estar constituida por algo.

Algunos físicos ha puesto de moda la propuesta de que esa materia oscura esté formada por axiones, unas hipotéticas partículas de tipo bosón, mucho más ligeras que las WIMPs, pero que serían muchos más abundantes. Todavía no se han detectados axiones, pese a que se propusieron hace más de 30 años, aunque puede que se deba a las limitaciones tecnológicas de los experimentos.

Por otro lado, existe una carrera para hacer que algún día se pueda construir un computador cuántico, un sistema que, en lugar de estar basado en bits, esté basado en qubits. A diferencia del bit, que sólo puede estar en uno de dos estados, el qubit puede existir en una superposición de varios estados a la vez.

Los computadores cuánticos se enfrentan a numerosos retos, uno de ellos es la estabilidad de los qubits, pues los estados cuánticos tienden a colapsar rápidamente por decoherencia y se pierda la superposición. Este y otros problemas hacen que los prototipos de computadores cuánticos actuales operen con unos pocos bits y durante sólo unos microsegundos.

Un equipo de científicos del Fermilab y de la Universidad de Chicago proponen juntar esos dos mundos y aprovechar la sensibilidad de los qubits para detectar axiones y otras partículas hipotéticas.

Han desarrollado qubits superconductores que, supuestamente, podrán detectar las débiles señales emitidas por dos tipos de partículas hipotéticas que podrían residir en una parte del sector oscuro. Uno sería el axión y el otro sería el fotón oculto, una partícula que posiblemente interactuaría con los fotones «normales» de la materia visible.

Al parecer, la técnica es 36 veces más sensible a las partículas que el límite cuántico, un punto de referencia de las mediciones cuánticas convencionales, lo que permite que las búsquedas de materia oscura se realicen 1000 veces más rápido.

En esta técnica, los qubits están diseñados para detectar los fotones que se producirían cuando las partículas de materia oscura interactuase con un campo electromagnético. El beneficio de usar qubits como detectores en lugar de la tecnología convencional radica en la forma en que interactúan con los fotones.

La clave de la sensibilidad de la técnica es su capacidad para eliminar falsos positivos. Las técnicas convencionales destruyen los fotones que miden. Pero la nueva técnica puede sondear el fotón sin destruirlo. La realización de mediciones repetidas del mismo fotón, en el transcurso de su vida útil de 500 microsegundos, proporciona un seguro contra estas lecturas erróneas.

«Hacer una medición del fotón una vez con el qubit necesita de unos 10 microsegundos, por lo que podemos hacer alrededor de 50 mediciones repetidas del mismo fotón durante su vida», dice Akash Dixit (Universidad de Chicago).

El problema es que en los experimentos en los que se utilizan técnicas convencionales no permiten detectar axiones por encima de cierta masa debido a que el nivel de ruido de fondo es demasiado alto.

Hay dos formas de hacer que un experimento sea más sensible a los sutiles indicios de nueva física que buscan los científicos. Uno es aumentar la señal haciendo detectores más grandes. Otro es reducir los niveles de ruido que ocultan las señales de destino. Estos investigadores intentan esto último.

Según los autores, esta técnica es una forma mucho más inteligente y económica de obtener las mismas grandes mejoras en la sensibilidad. Dicen que con ella el nivel del ruido se ha reducido tanto que ahora se tiene la oportunidad de ver por primera vez los pequeños movimientos en sus mediciones debido a señales muy pequeñas.

La técnica beneficiaría la búsqueda de cualquier candidato a materia oscura, pero siempre y cuando su interacción con la materia ordinaria dé lugar a fotones.

«Mientras que el método convencional puede generar un fotón de ruido con cada medición, en nuestro detector se obtiene un fotón de ruido por cada mil mediciones que se realizan», dice Dixit.

Para desarrollar esta técnica, los investigadores han adaptado la idea ya propuesta por Serge Haroche y por la que recibió el premio Nobel en 2012.

Las cavidades de microondas superconductoras son vitales en este caso. La cavidad utilizada en el experimento está hecha de aluminio de alta pureza (99,9999%). A temperaturas extremadamente bajas, el aluminio se vuelve superconductor, una propiedad que prolonga la longevidad del estado de los qubits, que por su naturaleza es efímero. La cavidad superconductora proporciona una forma de acumular y almacenar el fotón de la señal. Una antena insertada en la cavidad mide el fotón.

«El beneficio que obtenemos es que, una vez que usted, o la materia oscura, coloca un fotón en la cavidad, es capaz de retener el fotón durante mucho tiempo. Cuanto más tiempo tenga la cavidad el fotón, más tiempo tendremos para realizar una medición», dice Dixit.

La misma técnica puede encontrar tanto axiones como fotones ocultos, aunque en algunos casos se requeriría la aplicación de un campo magnético potente.

Si existen axiones, el experimento actual ofrece una posibilidad entre 10000 de que se detecte un fotón producido por una interacción de materia oscura.

Para mejorar aún más la capacidad de detectar un evento tan raro, es necesario reducir la temperatura de los fotones, pues bajar la temperatura de los fotones aumentará aún más la sensibilidad a todos los candidatos a materia oscura, incluidos los fotones ocultos.

Los fotones del experimento se han enfriado a una temperatura de aproximadamente 40 milikelvins, pero a los investigadores les gustaría llegar a una temperatura de funcionamiento de sólo 8 milikelvins. En este punto, la búsqueda de materia oscura sería impecable y estaría libre de fotones normales de fondo que generarían ruido.

«Si bien definitivamente hay mucho camino por recorrer, hay razones para ser optimistas. Estamos utilizando la ciencia de la información cuántica para ayudar en la búsqueda de materia oscura, pero el mismo tipo de fotones de fondo también son una fuente de error potencial para los cálculos cuánticos. Por lo tanto, esta investigación tiene usos más allá de la ciencia fundamental», dice David Schuster (Universidad de Chicago).

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Fuentes y referencias:
Artículo original.
Esquema: Akash Dixit, University of Chicago