Учени във Великобритания направиха важна стъпка към създаването на ново поколение квантови сензори, които биха могли да помогнат на човечеството да изследва най-мистериозните явления във Вселената. Експериментално устройство успешно демонстрира способността си да отделя изключително слабите сигнали от мощен шум, откривайки перспективи за търсене на тъмна материя и гравитационни вълни, които досега оставаха недостъпни за съвременните инструменти.

Изследването е част от британския проект AION (Atom Interferometer Observatory and Network), в който участват учени от няколко университета в страната. Основната му цел е създаването на ново поколение ултрапрецизни квантови детектори.

Как работи новият сензор

Разработката се основава на атомен интерферометър – високопрецизен инструмент, който използва лазери, за да контролира движението на ултрастудените атоми. Лазерните импулси разделят атомните облаци и след това ги събират отново. Дори най-малките промени в движението на атомите ни позволяват да регистрираме изключително слаби физически явления.

Съществува обаче сериозен проблем: самият лазер създава така наречения фазов шум, който може да бъде многократно по-силен от сигнала, който изследователите се опитват да засекат.

За да се създаде квантов сензор, светлината трябва да бъде подготвена във внимателно контролирано състояние, където нейната честота, поляризация и интензитет са добре контролирани. Тук честотата на червения лазер се променя, преди той да бъде използван за охлаждане на атомите до абсолютна нула.

За да решат този проблем, екипът използва два идентични интерферометъра, разположени на определено разстояние един от друг и задвижвани от един и същ лазер. Сравнявайки резултатите от двете системи, изследователите са успели почти напълно да елиминират шума и да изолират истинския сигнал.

Тестовете потвърдиха ефективността

За да тестват технологията, учените дори умишлено добавили допълнителни смущения към системата, които значително надвишили естественото ниво на шума. Отделно всеки от двата интерферометъра спрял да показва полезни данни – сигналът бил напълно изгубен сред смущенията.

След сравняване на резултатите от двете устройства обаче, необходимата информация отново станала ясно видима. Това било първото експериментално потвърждение, че предложеният метод работи не само на теория, но и в реални лабораторни условия.

Изследователите добавили към системата и изкуствен сигнал, който имитира ефектите на гравитационна вълна или поле на тъмна материя. Новият сензор успешно го е засекал, въпреки че отделните измервания са били почти напълно замъглени от шум.

Нови възможности за физиката

Учените смятат, че тази технология може да се превърне в основата на бъдещи свръхголеми квантови обсерватории. Такива съоръжения биха позволили изучаването на диапазони от гравитационни вълни, които днес остават недостъпни за съвременните детектори, а също така биха помогнали в търсенето на тъмна материя — мистериозно вещество, което според астрофизиците съставлява по-голямата част от масата на Вселената.

В бъдеще се планира технологията да бъде разширена чрез международни проекти, включително американската програма MAGIS и предложения експериментален център AICE в ЦЕРН. Ако бъдат реализирани, тези инициативи биха могли да се превърнат в едни от най-големите квантови експерименти в историята на науката.

Изследователите подчертават, че настоящото устройство е само лабораторен прототип, но вече е доказало функционалността на ключов принцип, необходим за създаването на бъдещи квантови детектори. Именно те могат да помогнат за отговорите на фундаментални въпроси на съвременната физика – от природата на тъмната материя до процесите, протичащи във Вселената малко след Големия взрив.