中國科大利用量子傳感網探測暗物質精度超天文觀測

1月29日，中國科學技術大學（以下簡稱中國科大）自旋磁共振實驗室教授彭新華、江敏團隊在《自然》雜志發表最新研究成果，革新核自旋量子精密測量技術，成功搭建國際首個基于原子核自旋的量子傳感網絡，使得暗物質探測靈敏度實現質的飛躍，為解開這一宇宙之謎提供了全新路徑。

在浩瀚的宇宙中，恒星、行星等肉眼可見的普通物質僅占宇宙總質量的4.9%。而占比高達26.8%的暗物質，就像一位“隱形鄰居”——它不發光、不與普通物質發生電磁相互作用，卻能通過引力影響星系運動，是宇宙構成的關鍵部分。軸子，作為暗物質的熱門候選者，其形成的場可能存在“宇宙褶皺”般的拓撲缺陷，被科學家形象地稱為“暗物質墻”。當地球穿越這堵無形之墻時，軸子可能與量子傳感器中的原子核發生極微弱的相互作用，產生轉瞬即逝的信號。據介紹，捕捉這一信號的難度，堪比在沸騰的廣場上精準分辨出某一片雪花落地的聲音。

為攻克這一探測難題，研究團隊將轉瞬即逝的信號儲存在接近分鐘級的核自旋相干態中，大幅延長了信號探測窗口。同時通過自研量子放大技術，將微弱信號增強100倍，讓蛛絲馬跡不再難尋。最后，團隊將5臺超靈敏量子傳感器分別部署在合肥與杭州，由位于中國科大的4臺量子傳感器與位于浙江工業大學的一臺量子傳感器組成暗物質探測網絡，在宇宙中捕捉微弱的潛在暗物質信號。這種組網模式能極大過濾誤報，讓探測結果的可靠性達到前所未有的高度

經過兩個月的持續觀測，團隊雖未捕捉到明確的“暗物質墻”穿越信號，卻取得關鍵進展：在廣泛的軸子質量范圍內，給出了該暗物質模型最嚴格的限制標準。其中部分質量區間的限制精度，比天文學家用超新星觀測的結果高出40倍，首次實現實驗室探測精度超越天文觀測。

研究人員表示，這一突破意味著，人類搜尋暗物質的工具庫中，新增了一款更精準的“量子神器”，其網絡化、分布式探測思路，未來還可與引力波天文臺協同，用于搜尋更多宇宙奧秘。審稿人評價稱：“這項工作為粒子物理和天體物理研究提供了強大工具，將激發新的研究浪潮。”

目前，中國科大團隊計劃進一步擴大量子探測網的覆蓋范圍，通過全球組網、空間部署等方式，將探測靈敏度再提升4個數量級，持續向解開暗物質之謎發起沖擊。

相關論文信息：https://doi.org/10.1038/s41586-025-10034-w