我国科学家构建全球首个核自旋量子传感网 暗物质探测精度实现重大突破

问题——暗物质何在、如何被“看见”。

当前天文观测表明,宇宙中可见的普通物质占比有限,而暗物质作为决定星系结构与演化的重要“引力骨架”,长期以来只通过引力效应被间接推断,至今仍缺乏直接探测证据。

围绕暗物质候选粒子的实验搜索不断推进,其中“轴子”因兼具理论动机与可检验性受到关注。

相关模型认为,轴子场可能形成类似拓扑缺陷的结构,被形象称作“暗物质墙”。

若地球在运动过程中穿越该结构,极其微弱、持续极短的相互作用可能在精密仪器中留下瞬态信号。

难点在于,信号既弱且快,且易被环境噪声淹没,如何在复杂背景中实现可靠识别成为实验探索的关键瓶颈。

原因——“弱相互作用+短时窗+噪声扰动”叠加抬高探测门槛。

暗物质不参与电磁相互作用,导致常规探测手段难以奏效;轴子类信号的预期效应微乎其微,往往低于单点实验装置在真实环境中的噪声底。

此外,假设中的“墙”穿越事件时间尺度短,若探测窗口不足或放大链路不匹配,信号很可能在读出之前就已衰减;再叠加地面实验中磁场波动、设备漂移与局域干扰,单台仪器即使实现高灵敏度,也仍面临“看到了但不敢确认”的难题。

如何在保证灵敏度的同时显著提高可信度,是实现从“可能”到“确证”的关键。

影响——跨城量子传感组网为实验室暗物质搜索提供可复制的新范式。

研究团队革新核自旋量子精密测量技术,构建国际首个基于原子核自旋的量子传感网络:一方面,通过延长核自旋相干时间,将瞬态效应在更长时间尺度上“保留”,拓宽有效探测窗口;另一方面,依托自研量子放大方案提升微弱信号的可读出性,使潜在暗物质相互作用从“不可见”更接近“可分辨”。

更重要的是,团队将多台传感器跨城部署,并以卫星授时实现精确同步,使探测从单点观测迈向分布式协同。

其科学价值在于:真实的宇宙信号应在不同站点呈现可预测的时间关联,而局域噪声往往缺乏同步性。

通过“多地比对、交叉验证”,可大幅降低误报概率,提升置信度,为在地面条件下捕捉极稀有、极微弱事件提供了新的技术路线。

对策——以“延时存储、增强读出、网络校验”三环提升综合能力。

面向暗物质直接探测的长期任务,单纯堆叠某一指标并不足以形成突破,必须系统优化“信号存活—读出效率—结果判别”全链条。

研究团队的实践表明:其一,提升相干时间,相当于把“稍纵即逝”的信号变为可处理的数据,为后端分析争取时间;其二,提升放大与读出效率,增强弱信号的可观测性,降低统计不确定度;其三,通过多站点同步组网,把“是否为宇宙来源”的判断纳入实验设计本身,减少对单次偶然波动的依赖。

两个月连续观测虽未给出明确“墙”穿越事件,但在较宽轴子质量范围内获得更严格的限制,部分区间约束能力显著超过天文观测结果,实现实验室测量在相关参数空间对天文方法的补充乃至超越,意味着暗物质研究的证据链正在从“只靠天象”向“天文+实验”并行推进。

前景——从验证模型到拓展网络,暗物质搜索或将进入“精密测量+分布协同”的加速期。

随着量子精密测量、时间频率传递与分布式传感技术的进步,跨区域组网有望进一步扩大基线、提升覆盖时空尺度,增强对不同类型暗物质信号的甄别能力。

下一步,相关研究可在三方面持续推进:其一,提高传感器数量与稳定性,形成更密集的观测节点;其二,延长运行时长并完善数据分析框架,以提升对罕见事件的统计把握;其三,结合天文观测与其他地下/地面实验结果开展联合约束,缩小理论模型参数空间,推动从“排除”走向“发现”的拐点。

业内评价认为,该工作不仅为暗物质研究提供了新的实验工具,也为粒子物理与天体物理交叉研究打开了更宽的技术入口。

暗物质的探寻是人类认识宇宙的重要课题,也是基础科学研究中最具挑战性的领域之一。

中国科学技术大学研究团队的这一突破,充分体现了我国科学家在量子精密测量领域的创新能力和国际竞争力。

从单点探测到分布式网络,从被动观测到主动搜寻,这种思路的转变和技术的升级,为人类最终揭开暗物质的神秘面纱提供了新的可能。

随着更多类似的量子传感网络在全球范围内的建立和完善,我们有理由相信,宇宙的终极秘密终将在科学的光芒下逐步显露。