Международная группа физиков под руководством исследователей из Imperial College London разработала квантовый сенсор, способный подавлять шум лазерных систем и тем самым повышать чувствительность к слабым космическим сигналам — гравитационным волнам и тёмной материи. Результаты опубликованы в журнале Nature.
Ключевая проблема, которую решает новая технология, — фазовый шум лазеров. Флуктуации в системе управления по амплитуде значительно превышают ожидаемые космические сигналы и фактически «ослепляют» детектор. Метод основан на атомной интерферометрии: лазеры разделяют облака атомов и вновь объединяют их, фиксируя микроскопические изменения в движении частиц.
Для компенсации шума исследователи применили дифференциальную схему измерений с двумя синхронно работающими интерферометрами. При математическом сравнении их сигналов общий лазерный шум взаимно компенсируется, а полезный сигнал восстанавливается. Эксперимент проводился в лаборатории ультрахолодного стронция Imperial College London: использовались 2 пространственно разделённых облака атомов изотопа стронция-87, охлаждённых почти до абсолютного нуля.
Для проверки устойчивости метода учёные намеренно внесли в систему искусственный фазовый шум, многократно превышающий естественные лабораторные флуктуации. В таких условиях каждый из интерферометров по отдельности оказывался непригоден для анализа, однако дифференциальное сравнение полностью восстанавливало сигнал. Система работала на фундаментальном квантовом пределе чувствительности. Дополнительно в систему был введён искусственный осциллирующий сигнал, имитирующий прохождение гравитационной волны, — и он был уверенно выделен на фоне сильнейшего шума.
Успешная демонстрация открывает путь к созданию длиннобазовых атомных интерферометров нового поколения. Среди перспективных направлений развития называются установки Fermilab, инфраструктура CERN, а также проекты MAGIS и концепция AICE как основа будущих глобальных наблюдательных систем.