北京
據最新一期《自然》雜志報道，英國帝國理工學院研究團隊構建了一種新型量子傳感裝置，首次在實驗中驗證了長基線原子干涉儀的關鍵工作原理。該裝置能夠有效抵消激光噪聲，即使單次測量完全被噪聲淹沒，也能恢復出微弱信號。這一成果解決了尋找暗物質和引力波的重大難題，是邁向未來大型基礎物理量子傳感器的重要里程碑。
長基線原子干涉儀被認為是探測早期宇宙引力波和尋找暗物質最有前景的技術設備之一。它利用激光將原子云分開再重新匯合，通過測量原子運動中的極微小變化來捕捉隱藏信號。
然而，這種技術面臨一個重大挑戰：用于控制實驗的激光會產生相位噪聲，其強度遠遠超過研究人員試圖測量的信號。如果不加校正，這些噪聲會完全掩蓋目標信號。為解決這一問題，科學家提出通過比較兩個由同一激光操控、位于不同位置的原子干涉儀，使共同噪聲相互抵消。這種差分測量方法是下一代探測器設計的基礎，但此前從未在現實條件下得到驗證。
為此，研究團隊在超冷鍶實驗室構建了一套臺式原型系統，由兩團空間分離的超冷鍶-87原子云和一臺超穩定時鐘激光器組成。為了模擬未來長基線探測器面臨的復雜環境，他們故意向系統中加入大量額外噪聲，使兩個干涉儀單獨測量時均無法獲得有效信號。
結果顯示，盡管單個干涉儀輸出幾乎完全隨機，但通過比較兩者數據，研究人員仍成功恢復出清晰信號，測量精度達到量子力學允許的基本極限。進一步實驗表明，即使加入模擬引力波或暗物質場產生的振蕩信號，在強噪聲條件下，該系統仍能將其準確識別出來。
未來，這類裝置有望探索現有探測器無法覆蓋的引力波頻段，并尋找新的暗物質形式，為認識宇宙打開新的窗口。
來源：科技日報
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