突破量子传感极限：探寻轴子暗物质

能否介绍一下您目前正在开展的研究？您的研究有哪些令您兴奋之处？

我正在为轴子暗物质实验开发新型量子传感器。我们的目标是让器件的灵敏度足以探测暗物质可能产生的微弱信号。以往，这一频率范围内通常使用直流超导量子干涉器件（DC SQUID）。它们是非常出色的工具，但也存在一定的局限性。

借助我们正在开发的传感器，我们不仅希望达到标准量子极限，还希望利用新型量子协议突破这一极限。这些器件会将探测器产生的低频信号上变频至 GHz 范围；在这一频率范围内，量子计量技术更加成熟，也有更强大的技术可供使用。

我的日常工作涉及超导器件、约瑟夫森结和低温技术，这些研究本身就十分令人兴奋。但真正激励我的是，所有这些工作都直接服务于探测暗物质这一更宏大的目标。即使某一天我做的只是调试一个电路，它仍然与一个大胆的天体物理学问题紧密相连：我们的宇宙究竟由什么构成？

从更基础的角度来看待轴子暗物质，您认为这一领域最令人兴奋的地方是什么？

最让我兴奋的是这个领域所展现出的创造力。如果这个问题很容易解决，我们早就已经找到答案了。正因为问题极具挑战性，研究人员才有空间探索各种不同的方法，包括新的实验架构、新型量子传感器和独特的测量技术。

最近，我参加了加州大学伯克利分校举办的一场轴子专题研讨会，现场研究方法的多样性令我印象深刻。研究人员采用的方案包罗万象，从大规模的“光穿墙”实验，到基于量子比特的桌面式探测器。尽管大家采用的方法截然不同，但都朝着同一个目标努力——理解暗物质。正是这种多样性以及对新思路的开放态度，使这一领域充满活力并格外令人兴奋。

您认为这一研究领域接下来将面临哪些重大挑战？

最大的挑战是研究规模。轴子的参数空间极其广阔。虽然我们已经排除了其中一些区域，但仍有大量区域有待探索。目前，许多实验只能在较窄的频带内展现探测灵敏度；如果按照这样的速度覆盖整个参数空间，可能需要数千年时间。

这一领域需要找到扩大研究规模的方法，同时提升频率覆盖范围和灵敏度。新型量子传感器便是一种可以加快测量并提高扫描效率的方案。归根结底，挑战在于我们不知道轴子可能位于参数空间中的什么位置，也不知道它与其他物质之间的耦合究竟有多弱，因此仍有大量参数范围需要逐一排除。

DMRadio 项目汇集了多个研究团队。这种规模的合作如何帮助您推动轴子探寻工作？

合作至关重要。DMRadio 项目汇集了多家研究机构，每家机构都贡献各自的专业知识。我目前主要负责开发量子传感器，包括传感器的设计、制造和性能测试。合作组中的其他团队则专注于低温技术、磁体或数据分析。

任何个人或单一研究团队都无法同时应对所有这些挑战。通过合理分工，每个团队都可以专注于自己的领域，从而提升整个实验的实力。更广泛的暗物质研究群体同样非常重视合作。在同一项实验中秉持这种合作精神，可以让研究工作更加高效，也更加令人愉快。

苏黎世仪器 SHFLI 如何为您的研究提供帮助？

苏黎世仪器的 SHFLI 对我们而言具有不可估量的价值。我们的器件会将 kHz 至 MHz 范围内的低频信号上变频至 GHz 载波，因此，我们需要能够在上述各个频段内都进行高灵敏度测量的工具。

SHFLI 可以满足这一需求。它不仅能够在单个频率下进行测量，还可以同时测量多个频率。这对于处理边带或更加复杂的信号至关重要。它的灵活性还加快了我们的表征工作：每次需要改变测量类型时，我们无需重新搭建一套实验装置，只需直接在仪器中完成配置即可。

即使是表征读出级之间的电感耦合变压器等辅助组件，SHFLI 也能让测量变得十分简单。从 kHz 一直到 GHz，SHFLI 已成为我们工作流程中的核心工具。

您会给当今的年轻研究人员哪些建议？

我建议年轻研究人员思考两个方面：宏观目标和日常工作。一方面，重要的是问问自己，这项科学研究是否能够激励您，整个研究所要解决的问题是否让您感到兴奋。另一方面，您也需要真正喜欢自己的日常工作，无论是搭建硬件、编写仿真程序，还是分析数据。

如果您只关心宏观目标，却不喜欢每天需要完成的具体任务，那么很快就会感到身心俱疲。如果您只喜欢日常工作，却无法从最终目标中获得启发，也可能逐渐失去动力。最理想的状态，是找到一个能够从这两个方面同时激发您热情的研究方向。

我很幸运，本科期间通过在不同实验室进行尝试，发现自己既喜欢探索物理问题，也喜欢亲自动手开展实验。我认为，对于年轻研究人员而言，积极探索、认真思考什么真正能够激发自己的热情，并找到既符合个人兴趣、又契合自身工作方式的项目，确实非常重要。