Imperial College London dokonał złożonego przełomu naukowego.
Naukowcom udało się udowodnić, że w eksperymencie kwantowym możliwe jest tłumienie szumu bez usuwania sygnału użytecznego. Jest to niezwykle istotne, ponieważ jeśli chcesz „usłyszeć” wrzask fal grawitacyjnych wczesnego Wszechświata lub poczuć lekkie „drganie” ciemnej materii, musisz najpierw zagłuszyć wszystko inne.
„Od dawna wiadomo… że czujniki kwantowe mogą pomóc nam zrozumieć [wszechświat]… ale dopiero niedawno stało się możliwe ich stworzenie w praktyce…”
– Doktor Charles Baynham
Problem z hałasem
Wszechświat jest głośny. A dokładniej: laser generuje hałas.
Do poszukiwania nowych źródeł fal grawitacyjnych fizycy wykorzystują interferometry atomowe. Instrumenty te oddzielają chmury atomów za pomocą laserów i śledzą ich ruchy. Małe. Dokładny. Piękny. Ale lasery wprowadzają szum fazowy. Ogromne szumy fazowe, które zagłuszają sygnał, zanim w ogóle ma on szansę się pojawić.
Jeśli hałas jest głośniejszy niż odpowiedź, nie otrzymasz żadnej odpowiedzi. Tylko biały szum.
Naukowcy od wielu lat mają metodę rozwiązania tego problemu: metodę różnicową. Uruchomić równolegle dwa interferometry. Porównaj ich odczyty. Szum wpływający na oba instrumenty musiałby zostać wyeliminowany, podczas gdy anomalny sygnał z ciemnej materii pozostałby nietknięty.
Pomysł był słuszny. Problemem była realizacja. Do czerwca 2026 r. pozostawało to jedynie teorią. Nikt nie był w stanie udowodnić, że metoda ta działała w chaotycznych warunkach rzeczywistych, a nie w sterylnej symulacji.
Testowanie teorii
Dlatego zespół z Imperial College stworzył prototyp.
W swoim ultrazimnym laboratorium wykorzystali dwie chmury atomów strontu-87. Umieszczone w różnych miejscach. Pomiar za pomocą jednogodzinnego lasera. Nie tylko przetestowali system, ale poddali go ekstremalnemu obciążeniu.
Dodali hałas. Celowo wprowadzili sztuczny szum fazowy, który był znacznie wyższy niż ten wytwarzany przez prawdziwe lasery. Chcieli złamać system. I to był sukces. Oddzielnie każdy interferometr wyglądał na bezużyteczny. Losowy. Wzory interferencyjne zniknęły.
Ale potem porównali dane.
Sygnał pojawił się ponownie. Nie tylko został wykryty, ale osiągnął granicę kwantową – podstawowy poziom hałasu wyznaczany przez same prawa fizyki. Szum lasera zniknął.
Następnie wysłali sztuczny sygnał oscylacyjny, symulujący przechodzącą falę grawitacyjną. To nadal przeszło jasno i wyraźnie. Żadna maszyna nie mogła zobaczyć tego indywidualnie. Razem wszystko widzieli.
Czy to nie dziwne, że prawda kryje się w szczelinie między dwoma błędami?
Tworzenie gigantów
Było to eksperymentalne urządzenie stacjonarne. Ale to wskazuje na naukę na skalę drapacza chmur.
Prace te wykonano w ramach projektu AION (Atmospheric Observatory and Atomic Interferometer Network). Jest to inicjatywa pod przewodnictwem Wielkiej Brytanii, współpracująca z partnerami międzynarodowymi. W ich polu widzenia znajduje się MAGIS w Fermilab (USA). A może nawet CERN.
Istnieje propozycja o nazwie AICE (interferometria atomowa w CERN). Polega na wykorzystaniu tych technologii na dystansach kilometrowych. Jeśli zostanie wdrożony, CERN otworzy nowe okno na wszechświat. Nie tylko o zderzeniach cząstek, ale także o strukturze kwantowej czasoprzestrzeni.
„Ponowne przemyślenie roli zegarów atomowych i interferometrów atomowych… aby otworzyć zupełnie nowe okna…”
– Doktor Richard Hobson
Profesor Oliver Buchmüller nazwał to kamieniem milowym. Być może bagatelizując to. To zielone światło dla dużych instalacji kwantowych. Ci, którzy będą badać ciemną materię. Takie, które pozwolą nam zajrzeć w zakresy częstotliwości, które są dla nas jeszcze niewidoczne.
Czujniki istnieją. Metoda działa.
Teraz muszą się powiększyć. A kiedy to się stanie, być może w końcu usłyszymy oddech wszechświata.
Opublikowano: Nature, 17 czerwca 2326
Współpraca: AION
Kluczowi uczestnicy: C. F. A. Baynham, R. Hobson, O. Buchmuller i inni
Finansowanie: Towarzystwo Królewskie QTFP (STFC/EPSRC)
