Квантовый сенсор поможет искать темную материю

Ученые из Imperial College London сделали важный шаг к созданию нового поколения квантовых детекторов, которые в будущем смогут искать темную материю и гравитационные волны из ранней Вселенной. Исследователи показали, что один из ключевых принципов работы таких приборов действительно может работать в условиях, близких к реальным. Речь идет об атомных интерферометрах — сверхточных квантовых датчиках, которые используют лазеры для управления облаками атомов и измерения мельчайших изменений в их движении. Такие установки рассматриваются как перспективный инструмент для фундаментальной физики, потому что они могут улавливать сигналы, недоступные современным экспериментам.

Темная материя остается одной из главных загадок науки. Она не излучает свет и не наблюдается напрямую, но, по расчетам физиков, составляет значительную часть материи во Вселенной. Гравитационные волны, в свою очередь, представляют собой колебания пространства-времени, возникающие при мощных космических событиях, например слиянии черных дыр. Некоторые волны могли появиться еще в ранней Вселенной, но их частоты и слабость делают поиск чрезвычайно сложным. Главная проблема подобных измерений — шум. Сигналы, которые ищут физики, настолько малы, что легко теряются в помехах. В атомных интерферометрах особенно серьезным препятствием является фазовый шум лазера.

Он может быть намного сильнее тех эффектов, которые исследователи хотят обнаружить, и без специальной коррекции полностью скрывает нужный сигнал. Чтобы решить эту проблему, ученые давно предлагали сравнивать два интерферометра, расположенных на расстоянии друг от друга и управляемых одним и тем же лазером. Если шум действует на обе системы одинаково, его можно вычесть. А вот различие между измерениями может указывать на внешний физический сигнал — например, прохождение гравитационной волны или влияние поля темной материи. До сих пор такой подход оставался важной теоретической основой для будущих крупных детекторов, но его не демонстрировали в реалистичных условиях.

Теперь команда Imperial показала, что метод действительно работает. В лаборатории ультрахолодного стронция ученые создали настольный прототип с двумя макроскопически разделенными облаками ультрахолодных атомов стронция-87. Оба облака исследовались одним сверхстабильным лазером, похожим на те, что применяются в атомных часах. Такая установка имитировала принципы работы будущих более крупных приборов, где расстояния между интерферометрами будут гораздо больше, а контроль шума станет еще сложнее. Чтобы проверить систему на прочность, исследователи специально добавили в эксперимент сильный фазовый шум — намного больше, чем обычно создает сам лазер. В результате каждый интерферометр по отдельности стал практически бесполезен: его сигнал оказался полностью погребен в помехах, а интерференционная картина, необходимая для измерений, была разрушена.

Но когда ученые сравнили данные двух интерферометров между собой, сигнал удалось восстановить. Даже если каждое отдельное измерение выглядело случайным, корреляция между ними сохраняла информацию о поведении системы. Это показало, что общий лазерный шум можно эффективно подавлять, а измерение способно работать на фундаментальном пределе, заданном квантовой физикой. Затем исследователи добавили в систему дополнительный колебательный сигнал, похожий на тот, который могла бы создать проходящая гравитационная волна или поле темной материи. Этот сигнал также удалось обнаружить, хотя ни один интерферометр по отдельности уже не содержал пригодной для анализа информации. Результаты стали важной проверкой принципа, на котором строятся планы создания длиннобазовых атомных интерферометров. Работа проводится в рамках проекта AION — Atom Interferometer Observatory and Network.

Это британская программа, объединяющая Imperial College London и другие научные центры для разработки квантовых технологий нового поколения. AION связан и с более широкой международной программой. Среди партнерских направлений — проект MAGIS в Fermilab в США и предлагаемая установка AICE в CERN. Если такие эксперименты будут реализованы в крупном масштабе, они могут стать одними из крупнейших квантовых сенсоров в мире и открыть новое направление для исследований фундаментальной физики. Ученые подчеркивают, что нынешняя установка — только прототип. Но ее значение в том, что она доказывает работоспособность ключевого метода.

Масштабирование таких систем до больших лабораторных комплексов может позволить исследовать диапазоны гравитационных волн, которые пока недоступны существующим обсерваториям, а также искать новые формы материи. По словам исследователей, атомные часы и атомные интерферометры уже относятся к самым точным инструментам, созданным человеком. Теперь их можно использовать не только для измерения времени и фундаментальных констант, но и для поиска скрытых составляющих Вселенной. Если будущие установки подтвердят возможности этого подхода, квантовые сенсоры смогут открыть новое окно в невидимую часть космоса — туда, где могут скрываться следы темной материи, события ранней Вселенной и слабые гравитационные сигналы, которые до сих пор оставались за пределами наблюдений.

• Смартфоны родителей могут тревожить подростков
• Смартфон сможет измерять пульс при разблокировке: новая технология открывает путь к массовому мониторингу здоровья
• Искривлённый графен показал скрытый «переключатель» сверхпроводимости
• Роботы-гуманоиды идут в школу: в Китае готовят машины к реальной жизни
• Популярные чат-боты ИИ имеют тревожную уязвимость в шифровании — это означает, что хакеры могли легко перехватывать сообщения
• Грибы как компьютерные чипы: учёные создают «живую память» из шиитаке
• Учёные создали трёхслойное микрофлюидное устройство для сверхэффективного охлаждения электроники
• Обычный кристалл оказался идеальным материалом для технологий на сверхнизких температурах