1580
Прототип квантового сенсора, розроблений дослідниками з Імперського коледжу Лондона, уперше на практиці довів, що ключова концепція майбутніх квантових детекторів працює й поза ідеалізованими лабораторними умовами. Дослідження показало, що порівняння двох атомних інтерферометрів із довгою базою — надзвичайно чутливих приладів, що використовують лазери для відстеження руху атомів, — дозволяє ефективно усувати експериментальний шум. Роботу опублікували в журналі Nature.
Завдяки цьому науковці можуть відновлювати значущі сигнали навіть тоді, коли окремі виміри здаються повністю заглушеними перешкодами. Прорив може прокласти шлях до майбутнього пошуку гравітаційних хвиль із раннього Всесвіту та можливих ознак екзотичних форм темної матерії. Робота є частиною британської колаборації AION, яку очолює Імперський коледж і яка розробляє квантові сенсорні технології наступного покоління.
Одне з найбільших невирішених питань фізики — з чого складається Всесвіт. Науковці також шукають нові джерела гравітаційних хвиль — брижів простору-часу, породжених найпотужнішими подіями космосу. Обидві цілі залежать від виявлення надзвичайно слабких сигналів, які легко зникають під фоновим шумом. Серед найперспективніших інструментів — атомні інтерферометри з довгою базою, що розщеплюють хмари атомів лазерами й потім знову їх об’єднують, вимірюючи крихітні зміни руху атомів.
Метод порівнює дві хмари атомів у різних місцях, керовані тим самим лазером: будь-яка відмінність у їхній поведінці може вказувати на раніше невидиме явище, як-от поле темної матерії. Головна перешкода — сам лазер: фазовий шум під час роботи набагато сильніший за сигнали, які намагаються вловити. Ідею розв’язати цю проблему порівнянням двох інтерферометрів і взаємним гасінням спільного шуму пропонували давно, але досі її ніколи не демонстрували в реалістичних умовах.
Щоб перевірити концепцію, команда збудувала настільну систему з двома віддаленими хмарами надхолодних атомів стронцію-87, які вимірювали одним надстабільним лазером. Аби створити особливо складне випробування, дослідники навмисно додали великі обсяги додаткового фазового шуму — значно більше, ніж зазвичай генерують такі лазери. За цих умов кожен інтерферометр окремо ставав практично непридатним: потрібні для вимірювання інтерференційні візерунки ховалися під шумом.
Але коли науковці порівняли два інтерферометри, прихований сигнал знову з’явився. Хоча кожен окремий вимір видавався випадковим, зв’язок між двома наборами даних розкривав справжню поведінку системи, і результат сягнув фундаментальної межі, накладеної квантовою фізикою. Далі команда додала осцилюючий сигнал, що імітував ефект гравітаційної хвилі чи поля темної матерії, — і навіть коли жоден інтерферометр окремо не давав корисної інформації, цей сигнал чітко виявлявся при спільному аналізі.
«Ми взяли одні з найточніших приладів, коли-небудь створених — атомні годинники й атомні інтерферометри, — і показали, що їх можна переналаштувати, щоб відкрити цілком нові вікна в невидимі частини Всесвіту», — зазначив доктор Річард Гобсон. Через програму AION дослідники працюють над масштабуванням цих технологій, зокрема у співпраці з проєктом MAGIS у Fermilab та запропонованим експериментом AICE у CERN, який міг би стати одним із найбільших квантових експериментів в історії й допомогти розгадати природу темної матерії.
