物理学家建造了一个量子“热泵”来检测暗物质

如果你把两个不同温度的物体放在一起，比如把一瓶热的白葡萄酒放入一个冷的冰袋中，热量通常会朝一个方向流动，从热的（酒）流向冷的（冰袋）。如果你等待的时间足够长，两者都会达到相同的温度。这是一个在物理学中被称为达到平衡的过程：热流的一个方向和另一个方向之间的平衡。

如果你愿意做一些工作，你可以打破这种平衡，使热量以"错误"的方式流动。这就是你的冰箱用来保持食物低温的原理，也是高效热泵的原理，它可以从外面的冷空气中获取热量来温暖你的房子。在他们的新研究中，Gary Steele和他的同事展示了一个“热泵”的量子类似物，使光的基本量子粒子，即光子，从一个热物体“逆流”到一个冷物体。

这项研究由来自代尔夫特理工大学、苏黎世联邦理工学院和图宾根大学的物理学家们进行。他们的工作于8月26日作为一篇开放性文章发表在《科学进展》杂志上。

暗物质信号

尽管物理学家们在之前的研究中已经将他们的设备用作热射频光子的“冷水浴”，但他们现在已经设法同时将其变成了一个“放大器”。有了内置的“放大器”，该装置对射频信号更加敏感。这就像从超导量子处理器出来的放大的微波信号所发生的一样。“这非常令人兴奋，因为我们可以更接近测量射频信号的量子极限，这些频率在其他方面很难测量。这种新的测量工具可能有很多应用，其中之一是寻找暗物质，”Steele说。

该装置被称为光子压力电路，由冷却到只比绝对零度高几毫度的硅芯片上的超导电感和电容构成。虽然这听起来温度很低，但对于电路中的一些光子来说，这个温度是非常热的，它们被激发出热能。利用光子压力，科学家们可以将这些被激发的光子与更高频率的冷光子耦合，在以前的实验中，这使得他们能够将热光子冷却到其量子基态。

在这项新工作中，物理学家们增加了一个新的转折点：通过向冷电路发送一个额外的信号，他们能够创造一个“马达”，放大冷光子并将其加热。同时，额外的信号将光子优先“泵送”到两个电路之间的一个方向。通过在一个方向比另一个方向更用力地推动光子，研究人员能够将电路的一部分的光子冷却到比另一部分更冷的温度，为超导电路中的光子创造一个量子版的“热泵”。