Ένας πρωτότυπος κβαντικός αισθητήρας που αναπτύχθηκε από ερευνητές του Imperial College London απέδειξε για πρώτη φορά ότι μια βασική αρχή πίσω από τους κβαντικούς ανιχνευτές επόμενης γενιάς μπορεί να λειτουργήσει υπό ρεαλιστικές συνθήκες.
Η μελέτη, η οποία δημοσιεύθηκε στο περιοδικό Nature, δείχνει πώς η σύγκριση δύο συμβολομέτρων ατόμων μεγάλης βάσης γραμμής (long-baseline atom interferometers) επιτρέπει την αποτελεσματική ακύρωση του πειραματικού θορύβου.
Η εξέλιξη αυτή επιτρέπει την ανάκτηση σημάτων ακόμη και όταν οι επιμέρους μετρήσεις καλύπτονται πλήρως από θόρυβο, ανοίγοντας τον δρόμο για την αναζήτηση βαρυτικών κυμάτων από το πρώιμο σύμπαν και ιχνών εξωτικών μορφών σκοτεινής ύλης. Η εργασία αποτελεί μέρος της κοινοπραξίας Atom Interferometer Observatory and Network (AION).
Ακύρωση θορύβου σε κβαντικές μετρήσεις
Η ανίχνευση εξαιρετικά μικρών σημάτων στο σύμπαν αποτελεί πρόκληση, καθώς αυτά χάνονται εύκολα στον θόρυβο του περιβάλλοντος. Τα συμβολόμετρα ατόμων μεγάλης βάσης γραμμής χρησιμοποιούν λέιζερ για να διαχωρίσουν νέφη ατόμων και στη συνέχεια να τα ενώσουν ξανά, μετρώντας μικροσκοπικές αλλαγές στην κίνησή τους με εξαιρετική ακρίβεια.
Αυτά τα πειράματα βασίζονται στη σύγκριση της συμπεριφοράς δύο νεφών ατόμων (στη συγκεκριμένη περίπτωση, υπερχ those ατόμων στροντίου-87) που βρίσκονται σε διαφορετικές τοποθεσίες και εξετάζονται από το ίδιο λέιζερ. Οποιαδήποτε διαφορά μεταξύ τους θα μπορούσε να υποδείξει την παρουσία ενός πεδίου σκοτεινής ύλης ή ενός βαρυτικού κύματος.
Ωστόσο, το ίδιο το λέιζερ παράγει θόρυβο φάσης (phase noise) που είναι πολύ μεγαλύτερος από τα σήματα που αναζητούν οι επιστήμονες, αποκρύπτοντας τα επιθυμητά εφέ. Για την επίλυση αυτού του προβλήματος, προτάθηκε μια διαφορική προσέγγιση: η σύγκριση των δύο συμβολομέτρων έτσι ώστε ο κοινός θόρυβος να αλληλοεξουδετερώνεται.
Η πειραματική δοκιμή της μεθόδου
Για να δοκιμάσουν την αρχή αυτή, οι ερευνητές εισήγαγαν εσκεμμένα μεγάλες ποσότητες επιπλέον θορύβου φάσης στο σύστημα -πολύ περισσότερο από αυτόν που παράγουν φυσικά τα λέιζερ- προσομοιώνοντας τις συνθήκες που αναμένονται σε ανιχνευτές μεγάλης κλίμακας.
- Μεμονωμένα: Κάθε συμβολόμετρο έγινε ουσιαστικά άχρηστο, καθώς το σήμα του καλύφθηκε από τον θόρυβο και τα μοτίβα συμβολής εξαφανίστηκαν.
- Σε σύγκριση: Όταν τα δύο συμβολόμετρα συγκρίθηκαν, κατέστη δυνατή η ανάκτηση ενός καθαρού σήματος. Παρά το γεγονός ότι κάθε μέτρηση ξεχωριστά φαινόταν τυχαία, η συσχέτιση (correlation) μεταξύ τους αποκάλυψε την υποκείμενη συμπεριφορά του συστήματος.
Στη συνέχεια, οι επιστήμονες εισήγαγαν ένα επιπλέον ταλαντευόμενο σήμα, παρόμοιο με αυτό που θα παρήγαγε ένα διερχόμενο βαρυτικό κύμα, και κατάφεραν να το ανιχνεύσουν ξεκάθαρα, αποδεικνύοντας ότι η ακύρωση του θορύβου λειτουργεί στο θεμελιώδες όριο που θέτει η κβαντική φυσική.
Προς τους ανιχνευτές επόμενης γενιάς
Τα αποτελέσματα παρέχουν την πρώτη πειραματική επιβεβαίωση αυτής της τεχνικής. Στο πλαίσιο του προγράμματος AION, οι ερευνητές αναπτύσσουν τις τεχνολογίες που απαιτούνται για την κλιμάκωση αυτών των συστημάτων σε πειράματα ικνά να εξερευνήσουν νέες περιοχές του σύμπαντος.
Το AION συνεργάζεται στενά με το πρόγραμμα MAGIS στο Fermilab των ΗΠΑ, ενώ υπάρχουν προτάσεις και για το πείραμα AICE (Atom Interferometry CERN Experiment) στο CERN, το οποίο θα εφάρμοζε παρόμοιες τεχνικές σε πολύ μεγαλύτερες αποστάσεις. Τέτοιες εγκαταστάσεις θα μπορούσαν να εξερευνήσουν προηγουμένως απρόσιτες ζώνες συχνοτήτων βαρυτικών κυμάτων (όπως αυτά που προέρχονται από τη συγχώνευση μαύρων τρυπών ενδιάμεσης μάζας) και να ρίξουν φως στη φύση της σκοτεινής ύλης.
