Революционный квантовый сенсор показал, что может обнаруживать скрытые сигналы сквозь подавляющий шум, прокладывая путь для будущих поисков темной материи и древних гравитационных волн. Источник: SciTechDaily.com

Результаты совместной работы ученых из Великобритании знаменуют собой значительный прогресс в создании крупномасштабных квантовых сенсоров.

Прототип квантового сенсора, созданный исследователями из Имперского колледжа Лондона, впервые показал, что основная идея будущих квантовых детекторов может быть реализована в реальных экспериментальных условиях.

Исследование показало, что сравнение двух атомных интерферометров с длинной базой — приборов, использующих лазеры для измерения поведения атомов с высочайшей точностью, — может эффективно подавлять экспериментальный шум.

Это позволяет восстановить сигнал, даже если каждое отдельное измерение скрыто за шумом.Это достижение может помочь в будущих поисках гравитационных волн, возникших в ранней Вселенной, и признаков необычных форм темной материи.

Эта работа является частью сотрудничества в рамках проекта Atom Interferometer Observatory and Network (AION). В проекте AION, возглавляемом Имперским колледжем Лондона, участвуют исследователи из различных учреждений Великобритании, которые разрабатывают квантовые сенсорные технологии нового поколения.

Исследование было опубликовано 17 июня 2026 года в журнале Nature. 

Маленький светящийся шар в центре этой камеры — это облако атомов, левитирующих на синем лазерном луче, близкое к абсолютному нулю. Эти атомы будут охлаждаться еще сильнее, прежде чем превратятся в крошечные сенсоры, настроенные на улавливание гравитационных волн и темной материи. Фото: доктор Томас Уокер, Имперский колледж Лондона

Подавление шума при квантовых измерениях

Понимание устройства Вселенной и поиск новых источников гравитационных волн остаются одними из самых сложных задач современной физики.

Для достижения обеих целей ученым необходимо обнаруживать чрезвычайно слабые сигналы, которые могут быть скрыты фоновым шумом. Надежные способы отделить эти сигналы от шума необходимы для изучения тех областей Вселенной, до которых не могут добраться современные экспериментальные установки.

Одной из самых перспективных технологий для решения этой задачи становятся атомные интерферометры с длинной базой. Они используют лазеры для разделения облаков атомов, а затем их рекомбинации, что позволяет с исключительной точностью измерять малейшие изменения в движении атомов. 

Моделирование слияний черных дыр в наблюдаемой Вселенной с учетом прогнозируемой чувствительности существующих и разрабатываемых детекторов гравитационных волн. Новый класс атомных сенсоров, впервые представленный в этой работе (AION/AEDGE), может помочь нам обнаружить черные дыры промежуточной массы (ЧДПМ), которые сыграли ключевую роль в формировании нашей галактики. Фото: доктор Томас Уокер, доктор Чарльз Бейнэм, доктор Томас Уокер, доктор Элизабет Пасатембу, доктор Чарльз Бейнэм, Имперский колледж Лондона

Метод основан на сравнении поведения двух атомных облаков, расположенных в разных местах и измеряемых с помощью одного и того же лазера. Любая разница между ними может указывать на скрытые сигналы, например на наличие поля темной материи.

Однако этот подход сталкивается с серьезным препятствием. Лазер, который используется в эксперименте, создает фазовый шум, значительно превышающий по уровню сигналы, которые физики надеются обнаружить. Без коррекции этот шум полностью замаскирует искомые эффекты.

Ученые предложили решить проблему с помощью дифференциального метода, сравнивая два интерферометра таким образом, чтобы общий шум компенсировался. Эта идея лежит в основе планов по созданию детекторов следующего поколения, но до сих пор не было доказано, что она работает в реальных условиях.

Говоря о важности этого достижения, доктор Чарльз Бейнэм, один из руководителей Лаборатории ультрахолодного стронция в Имперском колледже Лондона, сказал: «Мы давно знаем, что квантовые сенсоры могут помочь нам понять Вселенную, но только недавно стало возможным создавать их с необходимым разрешением».

Мы безмерно гордимся тем, что наша команда добилась успеха в создании этих датчиков. Я с нетерпением жду того дня, когда сигналы от атома расскажут нам о черной дыре, образовавшейся в результате слияния миллионов лет назад». 

Одна из лазерных систем, используемых в Имперской лаборатории для охлаждения атомов и управления их квантовым состоянием. Фото: доктор Чарльз Бейнэм, Имперский колледж Лондона

Проверка подхода

В новом исследовании группа ученых из Имперского колледжа протестировала этот принцип в лабораторных условиях.

В Имперской лаборатории ультрахолодного стронция они создали настольный прототип, в котором использовались два удаленных друг от друга облака ультрахолодного стронция-87, каждое из которых измерялось с помощью одного сверхстабильного лазера.

Конструкция была призвана воссоздать условия, которые ожидаются в гораздо более масштабных экспериментах будущего, где контролировать шум будет еще сложнее.

Чтобы проверить метод на прочность, группа намеренно добавила в систему большое количество дополнительного фазового шума — гораздо больше, чем генерируют тактовые лазеры, — чтобы имитировать условия, ожидаемые в детекторах с длинной базой. 

Чтобы создать квантовый сенсор, необходимо подготовить свет в тщательно контролируемом состоянии, при котором хорошо регулируются его частота, поляризация и интенсивность. Здесь поляризация синего света изменяется перед тем, как он используется для охлаждения атомов до абсолютного нуля. Фото: доктор Томас Уокер, Имперский колледж Лондона

Оба интерферометра по отдельности стали непригодны для использования, поскольку шум заглушал сигнал. Интерференционные картины, которые обычно используются для измерений, были фактически уничтожены.

Но когда два интерферометра сравнили, сигнал появился снова. Хотя каждое отдельное измерение выглядело случайным, взаимосвязь между ними раскрывала глубинную природу системы. Суммарное измерение достигло фундаментального предела, установленного квантовой физикой, что доказывает эффективность подавления лазерного шума.

Затем ученые добавили в систему дополнительный осциллирующий сигнал, подобный тому, который может быть вызван проходящей мимо гравитационной волной или полем темной материи. Сигнал по-прежнему четко различим, хотя ни один из интерферометров сам по себе не содержит полезной информации. 

Чтобы создать квантовый сенсор, необходимо подготовить свет в тщательно контролируемом состоянии, при котором хорошо регулируются его частота, поляризация и интенсивность. Здесь частота красного лазера изменяется перед тем, как он используется для охлаждения атомов до абсолютного нуля. Фото: доктор Элизабет Пасатембу, Имперский колледж Лондона

На пути к детекторам нового поколения

Полученные результаты являются первым экспериментальным подтверждением ключевого принципа, лежащего в основе атомных интерферометров с большой длиной базы, и помогают решить одну из основных проблем при их разработке.

В рамках программы AION исследователи разрабатывают технологии, необходимые для масштабирования этих систем в экспериментах, способных исследовать новые области Вселенной.

AION также является частью более масштабной международной инициативы, которая включает в себя тесное сотрудничество с проектом MAGIS в Национальной ускорительной лаборатории имени Энрико Ферми и другими учреждениями США, работающими над созданием крупномасштабных атомных интерферометров для фундаментальной физики.

Одно из предложений — эксперимент по атомной интерферометрии в ЦЕРНе (Atom Interferometry CERN Experiment, AICE), в котором будут использоваться аналогичные методы на гораздо больших расстояниях. Если этот проект будет реализован, AICE откроет новое направление для ЦЕРНа, применив квантовые измерения в фундаментальной физике в больших масштабах. Подобные установки могут стать одними из крупнейших квантовых экспериментов в истории. 

Одной из сложностей при создании крупномасштабных квантовых сенсоров является генерация лазерного излучения очень высокой мощности, при этом с высокой точностью частоты. На этой фотографии показан кристалл титан-сапфира, резонирующий в оптическом резонаторе и генерирующий свет, который впоследствии разделит квантовое состояние наших атомов. Красный свет на этой фотографии — один из самых чистых существующих видов света: это чистый красный свет вплоть до пятнадцатого знака после запятой. Фото: доктор Чарльз Бейнэм, Имперский колледж Лондона

Доктор Ричард Хобсон, один из руководителей Лаборатории ультрахолодного стронция в Имперском колледже Лондона, сказал: «Мы взяли одни из самых точных приборов, когда-либо созданных, — атомные часы и атомные интерферометры — и показали, что их можно использовать для открытия совершенно новых возможностей для изучения невидимых частей нашей Вселенной.

Наш нынешний эксперимент — всего лишь прототип, но его масштабирование до полномасштабной установки в таких лабораториях, как ЦЕРН или Фермилаб, позволит нам разгадать некоторые из самых глубоких загадок физики, в том числе природу темной материи».

Сейчас имперские исследователи разрабатывают эти системы в рамках международного проекта по созданию квантовых сенсоров нового поколения. В будущем такие детекторы смогут изучать диапазоны частот гравитационных волн, которые в настоящее время недоступны, и искать новые формы материи, открывая ранее неизведанное окно во Вселенную.

Профессор Оливер Бухмюллер, главный исследователь коллаборации AION в Имперском колледже Лондона, добавил: «Эта работа знаменует собой важный шаг на пути к созданию будущих крупномасштабных квантовых сенсоров для фундаментальной физики. В реалистичных экспериментальных условиях она демонстрирует ключевую технологию, актуальную для атомных интерферометров следующего поколения, которые сейчас разрабатываются по всему миру, включая MAGIS в Национальной ускорительной лаборатории имени Энрико Ферми и планируемый проект AICE в ЦЕРНе».