Квантовый сенсор устраняет лазерный шум для поиска тёмной материи и гравитационных волн

Определение истинного состава Вселенной остаётся одной из главных задач современной физики. Несмотря на уверенность учёных в существовании тёмной материи и гравитационных волн, их чрезвычайно слабые сигналы требуют инструментов с беспрецедентной точностью, которые часто оказываются уязвимы к шуму собственных компонентов.

Для преодоления этой проблемы международная команда под руководством Имперского колледжа Лондона представила прототип квантового сенсора, который при реальных условиях эксплуатации эффективно устраняет помехи, мешающие регистрации космических явлений.

Достигнутый экспериментальный результат является важным шагом на пути к созданию длиннобазовых атомных интерферометров. Эти устройства используют специализированные лазеры для разделения и последующего объединения облаков атомов, что позволяет измерять мельчайшие изменения в их движении с высокой точностью.

Сравнивая поведение двух отдельных облаков атомов, подвергающихся воздействию одного лазерного излучения, учёные могут выявить даже минимальные отклонения, свидетельствующие о прохождении гравитационной волны или возмущении в поле тёмной материи.

Преодоление лазерного фазового шума

Хотя математическая основа атомной интерферометрии надёжна, практическая реализация сталкивается с серьёзной инженерной проблемой: сами лазеры, управляющие атомными облаками, генерируют внутренний фазовый шум, значительно превышающий по величине искомые космические сигналы.

Если не устранять этот шум, данные оказываются полностью искажены, что делает невозможным обнаружение внешних космических воздействий.

Для решения этой задачи физики предложили дифференциальный метод, при котором два интерферометра, расположенные в определённой конфигурации, позволяют при сравнении данных взаимно компенсировать общий лазерный шум. До настоящего исследования не было доказано, что такой подход работает в реальных лабораторных условиях.

Настольный прототип и проверка на прочность

Для проверки эффективности метода в лаборатории ультрахолодного стронция Имперского колледжа был создан специализированный настольный экспериментальный стенд с двумя разделёнными облаками атомов стронция-87.

Атомы охлаждаются почти до абсолютного нуля и удерживаются в подвешенном состоянии с помощью синего лазерного излучения, при этом их состояние контролируется стабильной лазерной системой часов.

Чтобы проверить пределы шумоподавления, исследователи намеренно ввели в систему искусственные фазовые шумы, значительно превышающие естественные колебания оборудования. Первоначально эти помехи полностью разрушали интерференционные картины, делая каждый интерферометр непригодным.

Однако при математическом сравнении данных двух облаков общий лазерный шум исчезал, а исходный сигнал становился чётким, достигая фундаментального квантового предела.

Открытие нового окна во Вселенную

Для демонстрации практической применимости сенсора учёные добавили к сигналу дополнительную колебательную частоту, имитирующую характеристики тёмной материи или искажения пространства-времени. Несмотря на сильный фоновый шум, дифференциальный метод позволил с высокой точностью обнаружить этот целевой сигнал.

Успешный пилотный эксперимент открывает путь к масштабированию технологии для международных установок. Этот метод является ключевым для проектов нового поколения атомных интерферометров, таких как объект MAGIS в Fermilab и предложенная инфраструктура AICE в CERN.

Перевод теоретических разработок в проверенную аппаратную реализацию обеспечивает будущим крупномасштабным обсерваториям необходимую точность для изучения невидимой структуры Вселенной.

Результаты исследования опубликованы в журнале Nature.