Международная группа физиков под руководством исследователей из Имперского колледжа Лондона представила прототип квантового сенсора для подавления шума лазерных систем. Разработка предназначена для повышения чувствительности приборов к крайне слабым космическим сигналам от тёмной материи и гравитационных волн.
По данным журнала Nature, работа направлена на устранение 1 из главных ограничений современной физики, когда внутренние шумы установок перекрывают сигналы Вселенной. Для регистрации явлений с крайне малой амплитудой необходимы приборы предельной точности, где даже незначительные флуктуации компонентов становятся критическим источником помех.
Предложенный учеными подход основан на развитии атомной интерферометрии. Лазеры разделяют облака атомов и затем снова объединяют их для фиксации микроскопических изменений в их движении. Сравнение 2 пространственно разделённых атомных облаков, освещённых 1 лазером, позволяет выявлять расхождения, указывающие на прохождение гравитационных волн или воздействие поля тёмной материи.
Основная сложность подобных систем заключается в фазовом шуме лазеров, флуктуации которых превышают ожидаемые космические сигналы и ослепляют детектор. Для преодоления ограничения предложена дифференциальная схема измерений. В ней 2 независимых интерферометра работают синхронно, после чего данные сравниваются для взаимной компенсации лазерного шума.
Для проверки метода в лаборатории при Лондонском имперском колледже был создан экспериментальный стенд. В нем использовались 2 облака атомов из изотопа стронция-87, охлаждённых почти до абсолютного нуля и удерживаемых в лазерных ловушках. Все измерения проводились с использованием 1 высокостабильного лазера. Для проверки метода исследователи намеренно внесли в систему сильный искусственный шум.
В таких условиях картины в отдельных измерениях разрушались, но при математическом сравнении сигналов от 2 атомных облаков общий шум исчезал. Полученные данные подтвердили работу системы на фундаментальном квантовом пределе чувствительности. Дополнительно система смогла успешно выделить искусственный осциллирующий сигнал, имитирующий гравитационную волну.
Демонстрация технологии открывает путь к созданию длиннобазовых интерферометров нового поколения. Разработки планируется применять на установках лаборатории Ферми, инфраструктуре Европейской организации по ядерным исследованиям, а также в проектах вроде MAGIS и AICE, которые рассматриваются как основа будущих глобальных систем наблюдения.
