长期以来,暗物质一直是现代物理与宇宙学的核心谜题之一。天体观测中,星系旋转曲线、引力透镜等现象显示宇宙里存大量“看不见”的质量成分。然而,暗物质不发光、与电磁相互作用极弱,常规探测手段难以直接捕捉。如何在复杂背景噪声中识别可能来自深空的微弱信号,成为有关研究的重要瓶颈。难点集中在“信号弱、噪声强、验证难”。以轴子为代表的暗物质候选粒子,被认为可能形成特定场结构。部分理论设想提出,这类场可能出现类似拓扑缺陷的结构,形象称为“暗物质墙”。当地球在宇宙尺度运动中与之相遇时,暗物质与物质之间极微弱的耦合可能对原子核自旋产生瞬时扰动。但这类扰动持续时间短、幅度小,容易被环境磁噪声、仪器漂移等因素淹没;即便出现异常,也很难判断是宇宙信号还是局部干扰。上述难题一上源于暗物质可能的相互作用极弱,另一方面来自单点测量的局限:单台设备难以排除偶发干扰造成的“伪信号”,也难以提供跨空间的关联证据。基于此,中国科学技术大学自旋磁共振实验室彭新华教授、江敏教授团队提出并搭建基于原子核自旋的量子传感网络,尝试通过“延长可观测窗口”和“提升可辨识度”两条路径同步推进,探索以实验室精密测量补充乃至在部分区间超越传统天文观测约束的可能性。
从墨子号量子卫星到如今的量子传感网络,中国科学家在量子科技应用领域不断推出有影响力的原创成果。这项研究不仅为认识暗物质提供了新的技术路径,也体现出多学科交叉协同在攻克重大科学问题中的价值。随着量子探测网络更扩展,这场追问宇宙本质的探索正在进入新的阶段,中国团队也有望在其中起到更重要作用。