ИТ-домой 20 июня агентство новостей Синьхуа сообщило сегодня, что научно-исследовательская группа под руководством Имперского колледжа Лондона впервые проверила новую технологию квантового зондирования в экспериментальных условиях, близких к практическим применениям. Путем сравнения результатов измерений двух атомных интерферометров удалось эффективно устранить фоновый шум, создаваемый лазерами. Даже если одиночный измерительный сигнал подавлен шумом, система все равно сможет восстановить истинный сигнал.
Это достижение закладывает техническую основу для создания крупномасштабных квантовых датчиков в будущем и открывает путь для улавливания сигналов гравитационных волн из самой ранней Вселенной и следов темной материи, которые трудно обнаружить.
Исследование является частью проекта Британской атомной интерферометрической обсерватории и сети (AION), возглавляемого Имперским колледжем Лондона и совместно завершенного учеными из Университета Бирмингема, Кембриджского университета, Королевского колледжа Ливерпуля, Оксфордского университета и Лаборатории Резерфорда Эпплтона Британского совета по науке и технологиям. Полученные результаты считаются ключевым шагом на пути перехода ядерного интерферометра с длинной базой от теоретической концепции к реальной конструкции.
По мнению исследователей, современная физика все еще сталкивается со многими нерешенными проблемами, например, из чего состоит темная материя, существуют ли во Вселенной новые источники гравитационных волн и т. д., и эти исследования требуют обнаружения чрезвычайно слабых физических сигналов. Атомные интерферометры используют лазеры для манипулирования атомными облаками и достижения высокоточных измерений за счет явления интерференции между волнами атомной материи. В настоящее время они являются одной из наиболее многообещающих технологий квантового обнаружения.
Однако этот тип эксперимента зависит от лазерных импульсов для завершения измерений, а фазовый шум, генерируемый самим лазером, намного больше, чем целевой сигнал, что часто скрывает данные, которые действительно необходимо наблюдать, и становится основным препятствием, ограничивающим развитие соответствующих технологий.
Для решения этой проблемы исследовательская группа предложила и проверила схему дифференциальных измерений. Они построили прототип устройства в лаборатории, используя два кластера ультрахолодных атомов стронция-87 в разных положениях в качестве двух атомных интерферометров, и измерили их с помощью одного и того же ультрастабильного часового лазера. Поскольку на два интерферометра воздействует один и тот же лазерный шум, после сравнения результатов их измерений общий шум может нейтрализовать друг друга, восстанавливая тем самым истинный сигнал.
В ходе эксперимента исследователи также намеренно добавили в лазерную систему дополнительный шум, намного превышающий нормальный уровень, чтобы имитировать сложную среду, с которой в будущем могут столкнуться крупномасштабные устройства обнаружения на большие расстояния.
Результаты показывают, что при наблюдении любого интерферометра в одиночку сигнал почти полностью покрывается шумом и достоверных данных получить невозможно. Однако после совместного анализа результатов измерений двух устройств система все же может восстановить чистый сигнал, а точность ее измерений достигает теоретического предела, допускаемого квантовой физикой.
В дальнейших экспериментах исследовательская группа добавила в систему сигналы колебаний, которые имитировали возможные гравитационные волны или темные поля в ранней Вселенной. Результаты испытаний показывают, что совместные измерения могут точно обнаруживать эти аналоговые сигналы, даже если одно устройство не может идентифицировать достоверную информацию. Это также первый случай, когда эта технология подтвердила осуществимость схемы подавления шума атомного интерферометра с длинной базой в реальной экспериментальной среде, обеспечив ключевую экспериментальную основу для разработки оборудования квантового обнаружения следующего поколения.
Исследовательская группа заявила, что сверхмассивные черные дыры появились менее чем через 1 миллиард лет после Большого взрыва, и существующие теории формирования звезд и галактик не могут полностью объяснить процесс их формирования. Некоторые теории полагают, что эти черные дыры могут возникнуть в результате непрерывного слияния черных дыр средней массы в ранней Вселенной, а также могут быть связаны с темной материей. В будущем, если крупномасштабные квантовые датчики можно будет использовать для непрерывного обнаружения соответствующих гравитационных волн и сигналов темной материи, это поможет изучить раннюю эволюцию Вселенной и в дальнейшем раскрыть природу темной материи.
В настоящее время программа AION продолжает продвигать исследования и разработки связанных технологий и сотрудничает с проектом MAGIS Национальной ускорительной лаборатории имени Ферми в США и предлагаемым проектом AICE Европейской организации ядерных исследований с целью содействия разработке ядерных интерферометров с длинной базой в более широком масштабе.
Как только этот тип датчика будет расширен до базовой линии в сотни метров или даже километров, он сможет обнаруживать диапазоны частот гравитационных волн, которые не могут быть охвачены существующим оборудованием, и, возможно, станет возможным «увидеть» эволюционные следы, оставленные сверхмассивными черными дырами, появившимися менее чем через миллиард лет после Большого взрыва. Традиционные теории не могут удовлетворительно объяснить, почему эти черные дыры сформировались так быстро в зачаточном состоянии Вселенной. Некоторые предположения предполагают, что они могут возникнуть в результате слияния черных дыр промежуточной массы или быть связаны с каким-то еще нераспознанным поведением темной материи. Улавливая крошечные возмущения, оставленные очень ранними гравитационными волнами и полями темной материи, в атомных интерферометрах, ученые могут найти ключ к разгадке этой загадки.
Соответствующие результаты были опубликованы в журнале Nature 17 июня. IT Home приложила адрес статьи:
https://doi.org/10.1038/s41586-026-10617-1
Отказ от ответственности: внешние ссылки перехода (включая, помимо прочего, гиперссылки, QR-коды, пароли и т. д.), содержащиеся в статье, используются для передачи дополнительной информации и экономии времени выбора. Результаты предназначены только для справки. Это утверждение содержится во всех статьях IT House.
