Новая технология позволяет выделять гравитационные волны на фоне квантового шума
Международная группа физиков под руководством исследователей из Imperial College London представила прототип квантового сенсора, который способен подавлять шум лазерных систем и тем самым повышать чувствительность к крайне слабым космическим сигналам, связанным с тёмной материей и гравитационными волнами. Работа направлена на устранение одного из ключевых ограничений современной экспериментальной физики: внутренние шумы измерительных установок часто полностью перекрывают искомые сигналы Вселенной.
Учёные отмечают, что тёмная материя и гравитационные волны, хотя и считаются подтверждёнными космическими явлениями, остаются чрезвычайно трудными для прямого детектирования из-за своей крайне малой амплитуды. Для их регистрации требуются приборы предельной точности, где даже незначительные флуктуации собственных компонентов установки становятся критическим источником помех.
Предложенный подход основан на развитии атомной интерферометрии — метода, в котором лазеры разделяют облака атомов и затем снова объединяют их, позволяя фиксировать микроскопические изменения в их движении. Сравнение поведения двух пространственно разделённых атомных облаков, освещённых одним и тем же лазерным источником, позволяет выявлять малейшие расхождения, которые могут указывать на прохождение гравитационной волны или воздействие гипотетического поля тёмной материи.
Основная проблема подобных систем заключается в так называемом фазовом шуме лазеров. Эти флуктуации, возникающие в самой системе управления, по амплитуде значительно превышают ожидаемые космические сигналы. Без их компенсации такие шумы полностью «ослепляют» детектор, делая невозможным выделение внешних физических эффектов.
Для преодоления этого ограничения исследователи предложили дифференциальную схему измерений. В ней используются два независимых интерферометра, работающих синхронно, после чего данные сравниваются таким образом, что общий лазерный шум должен взаимно компенсироваться. До настоящего момента оставалось неясным, сохранится ли этот эффект в реальных экспериментальных условиях вне идеализированных моделей.
Для проверки метода в лаборатории ультрахолодного стронция при Лондонском имперском колледже был создан настольный экспериментальный стенд. В нём использовались два пространственно разделённых облака атомов из изотопа стронция-87, охлаждённых почти до абсолютного нуля и удерживаемых в лазерных ловушках. Все измерения проводились с использованием единого высокостабильного оптического лазера, выполняющего роль часов.
Чтобы проверить устойчивость метода, исследователи намеренно внесли в систему искусственный фазовый шум, значительно превышающий уровень естественных лабораторных флуктуаций. В таких условиях интерференционные картины в отдельных измерениях полностью разрушались, делая каждый интерферометр непригодным для анализа.
Однако при математическом сравнении сигналов от двух атомных облаков общий шум лазера исчезал, а полезный сигнал восстанавливался. Полученные данные демонстрировали работу системы на фундаментальном квантовом пределе чувствительности, что подтверждает корректность дифференциального подхода.
Дополнительно исследователи добавили искусственный осциллирующий сигнал, имитирующий характеристики прохождения гравитационной волны или воздействия поля тёмной материи. Несмотря на сильнейший шумовой фон, система уверенно выделила этот сигнал, продемонстрировав высокую точность метода.
Успешная демонстрация открывает путь к масштабированию технологии и созданию длиннобазовых атомных интерферометров нового поколения. Среди потенциальных направлений развития называются установки Fermilab и предложенная инфраструктура CERN, а также проекты вроде MAGIS и концепции AICE, которые рассматриваются как основа будущих глобальных наблюдательных систем.
По мнению авторов, переход от теоретических моделей к работающему лабораторному прототипу означает важный шаг к созданию инструментов, способных «очистить» сигнал Вселенной от локальных шумов и тем самым открыть доступ к ранее недоступной информации о её фундаментальной структуре.
Результаты исследования были впервые в журнале Nature.