Вчені з Великої Британії зробили важливий крок до створення нового покоління квантових сенсорів, які можуть допомогти людству досліджувати найзагадковіші явища Всесвіту. Експериментальний пристрій успішно продемонстрував здатність відокремлювати надзвичайно слабкі сигнали від потужних шумів, що відкриває перспективи для пошуку темної матерії та гравітаційних хвиль, які досі залишалися недоступними для сучасних приладів.
Дослідження стало частиною британського проєкту AION (Atom Interferometer Observatory and Network), у якому беруть участь науковці з кількох університетів країни. Його головна мета — створити надточні квантові детектори нового покоління.
Як працює новий сенсор
В основі розробки лежить атомний інтерферометр — високоточний прилад, який використовує лазери для керування рухом ультрахолодних атомів. Лазерні імпульси розділяють атомні хмари, а потім знову поєднують їх. Навіть найменші зміни в русі атомів дозволяють фіксувати надзвичайно слабкі фізичні явища.
Однак існує серйозна проблема: сам лазер створює так званий фазовий шум, який може бути у багато разів сильнішим за сигнал, що намагаються виявити дослідники.
Щоб розв’язати цю проблему, команда використала два однакові інтерферометри, розташовані на певній відстані один від одного та керовані одним і тим самим лазером. Порівнюючи результати обох систем, дослідники змогли практично повністю компенсувати шум і виділити справжній сигнал.
Випробування підтвердили ефективність
Для перевірки технології вчені навіть навмисно додали до системи додаткові перешкоди, які значно перевищували природний рівень шуму. Окремо кожен із двох інтерферометрів перестав показувати корисні дані — сигнал повністю губився серед перешкод.
Втім, після порівняння результатів двох приладів необхідна інформація знову стала чітко помітною. Це стало першим експериментальним підтвердженням того, що запропонований метод працює не лише в теорії, а й у реальних лабораторних умовах.
Крім того, дослідники додали до системи штучний сигнал, який імітував вплив гравітаційної хвилі або поля темної матерії. Новий сенсор успішно його зафіксував, навіть попри те, що окремі вимірювання залишалися майже повністю прихованими шумом.
Нові можливості для фізики
Науковці вважають, що ця технологія може стати основою майбутніх надвеликих квантових обсерваторій. Такі установки дозволять вивчати діапазони гравітаційних хвиль, які сьогодні залишаються недоступними для сучасних детекторів, а також допоможуть у пошуку темної матерії — загадкової субстанції, що, за оцінками астрофізиків, становить більшу частину маси Всесвіту.
У перспективі технологію планують масштабувати в рамках міжнародних проєктів, зокрема американської програми MAGIS та запропонованої експериментальної установки AICE у CERN. Якщо ці ініціативи буде реалізовано, вони можуть стати одними з найбільших квантових експериментів в історії науки.
Дослідники наголошують, що нинішній пристрій є лише лабораторним прототипом, однак він уже довів працездатність ключового принципу, необхідного для створення майбутніх квантових детекторів. Саме вони можуть допомогти відповісти на фундаментальні питання сучасної фізики — від природи темної матерії до процесів, які відбувалися у Всесвіті незабаром після Великого вибуху.
