暗物质是宇宙的重要组成部分,长期以来一直是物理学研究的前沿方向。现有观测显示,普通物质仅占宇宙总质量的4.9%,暗物质则约占26.8%。这种“隐形邻居”不发光,也不与普通物质发生电磁相互作用,却能通过引力影响星系运动,是理解宇宙结构与演化的关键。轴子被认为是暗物质的重要候选者之一,其形成的场可能出现拓扑缺陷,科学家形象地称之为“暗物质墙”。当地球穿越这类结构时,轴子或与量子传感器中的原子核发生极其微弱的相互作用,产生短暂信号。对此类信号的捕捉技术门槛极高:信号极弱,常规手段难以直接探测。中国科学技术大学自旋磁共振实验室彭新华、江敏教授团队围绕这个难题开展了系统性攻关,取得两项关键突破:其一,将瞬时信号“存入”接近分钟级的核自旋相干态,显著延长探测窗口,使原本一闪而过的信息得以保留;其二,依托自主研发的量子放大技术,将微弱信号增强约一百倍,让埋没在噪声中的信息更易分辨。为提升探测可靠性,团队更引入分布式网络探测模式:在合肥与杭州分别部署5台超灵敏量子传感器,并通过卫星实现高精度时间同步,构建协同工作的探测网络。其核心思路是“多地比对、交叉验证”——真实宇宙信号会在不同站点呈现时间对应的的共同特征,而局部干扰往往难以同步、缺乏一致性。借助该方法,团队可有效降低误报,提高结果可信度。经过两个月连续观测,研究团队尚未捕捉到“暗物质墙”穿越的明确事件信号,但在广泛的轴子质量范围内给出了该模型迄今最严格的限制。其中,部分质量区间的限制精度较基于超新星观测得到的结果提高约40倍,首次实现实验室测量精度在相关区间超过天文观测。这一进展显示量子传感技术在暗物质探测上的独特潜力,为粒子物理提供了新的实验路径。该成果的价值也不局限于暗物质研究。网络化、分布式的探测思路具有更广阔的应用空间,未来有望与引力波天文台等大型科学装置形成协同,用于搜寻更多宇宙现象。团队已制定后续发展计划,将扩大“量子探测网”的覆盖范围,并探索全球组网与空间部署等方向,提升暗物质探测的灵敏度与精度。
从“墨子号”量子卫星到“人造太阳”EAST,再到此次量子传感网络,中国科学家在基础研究领域不断推出具有国际影响力的原创成果。这项研究为揭示暗物质提供了新的“实验路径”,也表明了我国在量子科技前沿的研发实力。随着探测网络持续完善,人类对宇宙本质的认识有望获得新的突破。