Das Imperial College London hat etwas Kniffliges getan.
Sie haben bewiesen, dass man in einem Quantenexperiment das Rauschen unterdrücken kann, ohne auch das Signal zu unterdrücken. Es ist wichtig. Denn wer das frühe Universum in Gravitationswellen schreien hören oder das Zucken der Dunklen Materie spüren will, muss zunächst alles andere ausblenden.
„Wir wissen schon seit langem… dass Quantensensoren uns helfen können zu verstehen… erst seit Kurzem… ist es möglich, sie zu bauen…“
— Dr. Charles Baynham
Das Lärmproblem
Das Universum ist laut. Oder besser gesagt, der Laser ist laut.
Um neue Quellen für Schwerewellen zu finden, nutzen Physiker Atominterferometer. Diese Instrumente spalten Atomwolken mit Lasern und beobachten, wie sie sich bewegen. Winzig. Präzise. Schön. Aber die Laser verursachen Phasenrauschen. Riesiges Phasenrauschen. Es übertönt das Signal, bevor das Signal überhaupt beginnen kann.
Wenn das Rauschen größer ist als die Antwort, erhalten Sie keine Antwort. Nur statisch.
Wissenschaftler hatten jahrelang eine Lösung. Eine Differentialmethode. Betreiben Sie zwei Interferometer nebeneinander. Vergleichen Sie sie. Der Lärm, der auf beide trifft, wird ausgelöscht. Das seltsame Signal der Dunklen Materie bleibt bestehen.
Die Idee ist fundiert. Das Problem ist die Ausführung. Bis Juni 2026 war es nur eine Idee. Niemand hatte gezeigt, dass es unter schwierigen Bedingungen funktionierte. Echte Bedingungen. Keine makellose Simulation.
Die Theorie testen
Also baute das Imperial-Team einen Prototyp.
In ihrem ultrakalten Labor verwendeten sie zwei Strontium-87-Wolken. Getrennte Standorte. Ein Uhrenlaser misst beides. Sie haben es nicht nur getestet, sie haben es betont.
Sie fügten Lärm hinzu. Bewusstes künstliches Phasenrauschen, das weit über das hinausgeht, was echte Laser erzeugen. Sie wollten es brechen. Und das tat es. Für sich genommen sah jedes Interferometer nutzlos aus. Zufällig. Die Interferenzmuster waren verschwunden.
Dann verglichen sie sie.
Das Signal kam wieder heraus. Es war nicht nur nachweisbar, es erreichte auch die Quantengrenze. Das grundlegende Grundrauschen, das von der Physik selbst festgelegt wird. Das Lasergeräusch verschwand.
Als nächstes injizierten sie ein gefälschtes oszillierendes Signal. Wie eine vorbeiziehende Gravitationswelle. Es kam immer noch klar durch. Auch wenn keine Maschine es alleine sehen konnte. Zusammen könnten sie es.
Kommt es Ihnen nicht seltsam vor, wie sich die Wahrheit in der Lücke zwischen zwei Irrtümern verbirgt?
Die Giganten bauen
Dies ist ein Tischexperiment. Aber es deutet auf die Wolkenkratzerwissenschaft hin.
Die Arbeit stammt von AION, dem Atom Interferometer Observatory und Netwrok. Eine von Großbritannien geleitete Initiative, die Kontakte zu internationalen Partnern knüpft. Sie schauen sich MAGIS im Fermilab in den USA an. Und vielleicht sogar CERN.
Es gibt einen Vorschlag namens AICE. Atominterferometrie am CERN. Diese Techniken würden über Entfernungen im Kilometermaßstab eingesetzt. Wenn sie es bauen, öffnet CERN ein neues Fenster. Nicht nur über Teilchenkollisionen, sondern auch über die Quantenstruktur der Raumzeit.
„Atomuhren und Atominterferometer umfunktionieren … um völlig neue Fenster zu öffnen …“
— Dr. Richard Hobson
Professor Oliver Buchmüller nennt es einen Meilenstein. Vielleicht Untertreibung. Es ist grünes Licht für große Quantenanlagen. Die Art, die sich mit Dunkler Materie befasst. Die Art, die sich mit Frequenzbändern befasst, die für uns derzeit unsichtbar sind.
Die Sensoren sind vorhanden. Die Methode funktioniert.
Jetzt müssen sie größer werden. Und wenn sie es tun, hören wir vielleicht endlich das Atmen des Universums.
Veröffentlicht: Nature, 17. Juni 2326
Zusammenarbeit: AION
Hauptautoren: C. F. A. Baynham R. Hobson O. Buchmueller et al.
Finanzierung: Royal Society UKRI QTFP Program (STFC/EPSRC)
