Физики нашли способ обойти шум при поиске гравитационных волн и темной материи

Международная команда учёных под руководством Имперского колледжа Лондона представила прототип квантового сенсора, который может кардинально изменить охоту за самыми слабыми сигналами из космоса. Результаты их работы, опубликованные в журнале Nature, показывают, что новая технология способна подавлять основной источник помех в лазерных системах, открывая путь к детектированию тёмной материи и гравитационных волн с беспрецедентной точностью.

Главная проблема современной экспериментальной физики — шум, который сами приборы создают и который часто полностью перекрывает едва уловимые «шепоты» Вселенной. Чтобы зарегистрировать явления микроскопической амплитуды, инструменты должны быть идеально чистыми, но даже малейшие флуктуации лазеров становятся непреодолимым барьером. Учёные предложили обойти это ограничение с помощью дифференциальной схемы атомной интерферометрии.

В своей установке исследователи используют два независимых интерферометра, работающих синхронно. Лазеры разделяют облака атомов и затем сводят их вместе, фиксируя мельчайшие изменения в движении. Если сравнить данные от двух пространственно разнесённых атомных групп, освещённых одним лазером, можно выявить расхождения, вызванные гравитационными волнами или воздействием тёмной материи, отфильтровав при этом фазовый шум самого лазера.

В лаборатории Лондонского колледжа построили экспериментальную установку с двумя облаками атомов изотопа стронция-87, охлаждёнными почти до абсолютного нуля. Чтобы проверить метод, учёные намеренно внесли в систему сильный искусственный шум. По отдельности картины измерений разрушались, однако при математическом сравнении сигналов двух облаков общий шум исчезал, и система работала на фундаментальном квантовом пределе чувствительности. Более того, установка успешно выделила искусственный осциллирующий сигнал, имитирующий гравитационную волну.

Эта демонстрация прокладывает путь к созданию длиннобазовых интерферометров нового поколения. Разработку планируют использовать в установках лаборатории Ферми, инфраструктуре ЦЕРН и проектах вроде MAGIS и AICE, которые рассматриваются как основа будущих глобальных систем наблюдения. Квантовая технология, рождённая из борьбы с шумом, обещает стать тем самым инструментом, который позволит, наконец, услышать голос тёмной материи.