科学家在研制能够揭示宇宙最大奥秘的量子探测器方面迈出了重要一步。利用一种包含两团超冷原子的原型装置，研究人员表明，即使单次测量看似完全被干扰淹没，一种巧妙的噪声消除技术仍能恢复隐藏信号。
研究表明，比较两个长基线原子干涉仪（一种利用激光追踪原子运动的高灵敏度仪器）可以有效消除实验噪声。因此，即使单次测量看起来完全被淹没，科学家也能恢复有意义的信号。
这一进展可能为未来搜寻来自早期宇宙的引力波以及奇异形式暗物质的潜在迹象铺平道路。
这项工作是原子干涉仪天文台与网络（AION）项目的一部分，该项目是由帝国理工学院领导的全英合作项目，旨在开发下一代量子传感技术。
研究结果发表在《自然》杂志上。
利用量子传感器探索宇宙
物理学最大的未解之谜之一是宇宙由什么构成。科学家们还在寻找新的引力波源，即宇宙中一些最剧烈事件产生的时空涟漪。
这两个目标都依赖于探测极其微弱的信号，这些信号很容易消失在背景噪声中。如果研究人员希望探索现有仪器无法触及的宇宙区域，开发能够可靠地将这些信号与干扰分离的方法至关重要。
长基线原子干涉仪是完成此任务最有前景的工具之一。这些装置利用激光分裂原子云，随后使其重新结合，使研究人员能够以极高的精度测量原子运动的微小变化。
该技术比较位于不同位置但由同一激光控制的两团原子云。它们行为之间的任何差异都可能表明存在前所未见的现象，例如暗物质场。
然而，一个主要障碍来自激光本身。运行过程中产生的相位噪声远强于科学家试图探测的信号。如果无法消除这种噪声，就无法观测到所需的测量结果。
研究人员早就提出通过比较两个干涉仪并抵消它们共有的噪声来解决这个问题。尽管这一想法构成了未来探测器设计的基础，但此前从未在现实实验条件下得到证实。
伦敦帝国理工学院超冷锶实验室的共同负责人Charles Baynham博士在谈及这一成就的意义时表示：
“我们早就知道量子传感器可以帮助我们了解宇宙，但直到最近才有可能制造出具有所需分辨率的传感器。
“我们为团队将这些传感器变为现实所付出的努力感到无比自豪——我迫不及待地想看到原子信号告诉我们数百万年前合并的黑洞的那一天。”
测试量子噪声消除
为了验证这一概念，团队在帝国理工学院超冷锶实验室搭建了一个桌面实验系统。
该装置使用了两团间距较大的超冷锶-87原子云，并利用单束超稳钟激光对其进行测量。其设计旨在模拟未来大型探测器中预期的条件，因为在那些探测器中噪声控制将变得更具挑战性。
为了进行一项尤为苛刻的测试，研究人员有意向系统中添加了大量额外的相位噪声，其强度远超钟激光通常产生的噪声。目的是模拟长基线原子干涉仪中预期的环境。
在这些条件下，每个干涉仪单独使用时实际上都已无法使用。测量所需的干涉图样被淹没在噪声之下。
然而，当科学家比较这两个干涉仪时，底层信号重新出现了。虽然每个单独的测量看起来是随机的，但两个数据集之间的关系揭示了系统的真实行为。综合结果达到了量子物理学设定的基本极限，证实了噪声消除方法按预期工作。
随后，团队引入了一个额外的振荡信号，旨在模拟经过的引力波或暗物质场的影响。
即使在两个干涉仪都无法单独产生有用信息的情况下，当两个系统放在一起分析时，添加的信号仍然清晰可辨。
迈向未来的暗物质和引力波探测器
这些结果为长基线原子干涉仪背后的核心原理提供了首个实验证实，并解决了其发展面临的最重大挑战之一。
通过AION项目，研究人员正在努力将这些技术扩展为更大的仪器，以便能够探索宇宙中此前无法触及的区域。
AION还与更广泛的国际合作项目相连，包括与费米实验室的MAGIS项目及其他美国机构的紧密合作。研究人员共同推进旨在进行基础物理学研究的大型原子干涉仪。
一个拟议的未来项目是原子干涉仪CERN实验（AICE），该项目将在更远的距离上应用类似技术。如果建成，AICE将通过使用量子传感技术以前所未有的规模研究基础物理学，标志着CERN的一个新方向。它也可能成为迄今为止建造的最大的量子实验之一。
帝国理工学院超冷锶实验室的共同负责人Richard Hobson博士表示：
“我们利用了人类制造的一些最精密的仪器——原子钟和原子干涉仪——并证明了它们可以被重新利用，从而打开通往宇宙不可见部分的全新窗口。
“我们目前的实验只是一个原型，但将其扩展到CERN或费米实验室等机构的全尺寸设施，将使我们能够解决物理学中一些最深奥的谜题，包括暗物质的本质。”
帝国理工学院的研究人员正在继续制定更大系统的计划，这是建造新一代量子传感器的全球努力的一部分。
未来，这些探测器可以探索目前无法触及的引力波频率，并搜寻全新形式的物质，为研究宇宙提供一种新途径。
帝国理工学院AION合作项目的首席研究员Oliver Buchmueller教授补充道：
“这项工作标志着面向基础物理学的未来大型量子传感器迈出了重要的里程碑。它在现实实验条件下验证了一项关键技术，该技术适用于目前正在国际范围内开发的下一代原子干涉仪设施，包括费米实验室的MAGIS和拟议中的CERN AICE设施。”
AION合作项目由伦敦帝国理工学院领导，成员包括伯明翰大学、剑桥大学、利物浦大学、伦敦国王学院和牛津大学的研究人员，以及STFC卢瑟福·阿普尔顿实验室。
该项目得到了基础物理量子技术（QTFP）计划的支持，该计划是STFC与EPSRC的联合倡议。