暗物质约占宇宙物质总量的绝大部分，但其微观本质至今仍是现代物理学中最重要的未解之谜之一。由于暗物质与普通物质之间的相互作用极其微弱，如何在复杂背景噪声中识别其可能留下的细微信号，一直是暗物质直接探测面临的核心挑战。

近日，北京大学物理学院博雅特聘教授舒菁课题组联合深圳国际量子研究院俞大鹏院士、徐源研究员、刘松研究员等，在量子增强暗物质搜寻方向取得重要进展。研究团队将非经典量子态引入暗光子暗物质探测实验，在超导微波谐振腔中利用“四脚薛定谔猫态”提升对极弱信号的响应能力，并增强对真实信号与光子丢失噪声的区分能力。

利用猫态进行量子增强暗物质搜寻的工作原理图

暗光子是超轻暗物质的重要候选粒子之一。在特定理论模型中，当暗光子的质量与探测器的共振频率相匹配时，暗光子可能通过微弱的动力学混合效应转化为微波谐振腔中的普通光子。因此，通过高灵敏度地探测谐振腔中是否产生额外光子，便有可能对暗光子暗物质的性质给出约束。然而，传统微波腔探测方案受到标准量子极限及背景噪声的制约，进一步提升灵敏度需要引入新的量子测量资源。

针对这一瓶颈，研究团队设计并实现了一种基于四脚猫态的量子增强探测方案。四脚猫态是一类具有特殊相干叠加结构的非经典量子态，其模四宇称性质使探测器能够更有效地区分“暗物质诱导的光子产生事件”与“谐振腔中的单光子丢失误差”。这一特性为暗物质搜寻提供了内在的容错能力，从而显著提升了弱信号探测的信噪比。

在实验中，团队在高品质因子铌基超导微波谐振腔内成功制备了高保真度四脚猫态，并结合重复量子非破坏性宇称测量和隐马尔可夫模型分析，对探测器性能进行了系统表征。实验结果表明，相较于传统真空态探测方案，该量子增强方案使可探测的光子产生速率最高提升约8.1倍，显著提高了暗光子信号的探测效率。

进一步地，研究团队利用该装置开展了暗光子暗物质搜寻实验，在6.44GHz附近对暗光子动力学混合角给出了7.32×10-16的限制。同时，团队发展了基于失谐边带驱动的谐振腔频率调节方法，实现了约100kHz频率范围内的扫频探测。通过对不同频率点的光子产生率进行联合分析，实验进一步降低了背景噪声，在微波频段给出了10-16量级的暗光子动力学混合角限制，达到目前该质量区间内最严格的实验限制之一。

暗光子动力学混合角的最新灵敏度限制图

该工作展示了量子信息技术在基础物理前沿问题中的重要应用潜力。通过将猫态、量子非破坏性测量和超导微波腔精密控制相结合，研究团队为突破传统暗物质探测灵敏度限制提供了一条新的技术路径。相关方法不仅有望推动下一代暗光子和轴子等超轻暗物质搜寻实验的发展，也为量子增强测量技术服务于粒子物理、宇宙学和超越标准模型新物理研究提供了新的范例。

相关成果以“Quantum-Enhanced Dark Matter Search Using Cat States”为题发表于国际物理学期刊Physical Review Letters。本论文第一作者为深圳国际量子研究院郑攀副研究员、蔡燕燕博士研究生以及北京大学许彬博士后。俞大鹏、徐源、舒菁、刘松为论文共同通讯作者。